Tomodensitométrie

Latomodensitométrie(TDM), dite aussiscanographie,tomographie axiale calculée par ordinateur (TACO),CT-scan(CT:computed tomography),CAT-scan(CAT:computer-assisted tomography), ou simplementscannerouscanneurpour l'appareil,est une technique d'imagerie médicalequi consiste à mesurer l'absorption desrayons Xpar lestissuspuis, par traitement informatique, à numériser et enfin reconstruire des images2Dou3Ddes structures anatomiques. Pour acquérir les données, on emploie la technique d'analysetomographiqueou « par coupes », en soumettant le patient au balayage d'unfaisceauderayons X.

Bien que la possibilité théorique de créer de tels appareils ait été connue depuis le début duXX^esiècle, ce n'est qu'au début desannées 1970qu'apparaissent les premiers imageurs couplés à, ou « assistés » par, desordinateurssuffisamment puissants pour être capables de réaliser rapidement les calculs nécessaires à la reconstruction des images. Pour la mise au point de cette technique,Godfrey Newbold HounsfieldetAllan MacLeod Cormackont été récompensés par leprix Nobel de physiologie ou médecineen1979.

Dans les appareils modernes, l'émetteur de rayons X (tube à rayons X) effectue une rotation autour du patient en même temps que les récepteurs situés en face, et qui ont pour fonction de mesurer l'intensité des rayons après qu'ils ont été partiellement absorbés durant leur passage à travers le corps. Les données obtenues sont ensuite traitées par ordinateur, ce qui permet de recomposer des vues en coupes bidimensionnelles puis des vues en trois dimensions desorganes.On peut faire ressortir le contraste de certains tissus, en particulier desvaisseaux sanguins,en injectant unproduit dit « de contraste »(uncomplexede l'iode) qui a la propriété de fortement absorber lesrayons Xet donc de rendre très visibles les tissus où ce produit est présent (qui apparaissent alors hyperdenses, c'est-à-dire plus « blancs » sur l'image). Grâce aux tomodensitomètres multidétecteurs (ou multi-barrettes) à acquisition spiralée (déplacement lent de la table d'examen durant l'acquisition), on obtient depuis lesannées 1990une exploration très précise d'un large volume du corps humain pour un temps d'acquisition de quelques secondes.

Comme pour touteradiographie,l'exposition répétée auxrayons Xpeut être nocive pour l'organisme, mais le rapport bénéfice/risque lié à l'irradiationpenche largement en faveur de la tomodensitométrie, lorsque la demande d'examen est justifiée, ce qui en fait une technique d'imagerie médicale de plus en plus pratiquée. Si l'imagerie par résonance magnétique(IRM), technique non irradiante utilisant les champs magnétiques, permet une étude précise des tissus mous, celle-ci ne permet pas l'étude des corticalesosseuses(tissus « durs ») trop pauvres en hydrogène, ni donc la recherche fine defractures,contrairement à l'examen tomodensitométrique.

Historique

Le principe de la tomodensitométrie repose sur lethéorème de Radon(1917) qui décrit comment il est possible de reconstruire lagéométriebidimensionnelle d'un objet à partir d'une série deprojectionsmesurées tout autour de celui-ci. Cette méthode peut être étendue à la reconstruction de latomographieinterne d'un objet à partir de la façon dont les rayons le traversant sont absorbés suivant leurs angles de pénétration. Toutefois, les calculs nécessaires à cette technique la rendaient impraticable avant l'avènement desordinateurs.L'ordinateur attribue à chaque pixel d'image une valeur d'échelle de gris proportionnelle à l'absorption des rayons X par le volume corporel correspondant. La densité mesurée enunités Hounsfield(UH) va de -1000 pour l'air à +1000 pour l'os dense cortical, en passant par -50 pour la graisse et 0 pour l'eau.

L'une des premières machines EMI.

Le premier scanner à rayons X a été mis au point au début des années 1970 par un ingénieur britannique travaillant dans un laboratoire financé parEMI,Godfrey Newbold Hounsfield,d'après les travaux publiés quelques années auparavant par un physicien américain,Allan MacLeod Cormack.Ces deux scientifiques ont ainsi obtenu leprix Nobel de physiologie ou médecineen1979pour le « développement de la tomographie axiale calculée ».

Les premiers prototypes de tomodensitomètre ne permettaient d'« imager » que lecerveauau moyen d'une série de capteurs ou détecteurs disposés en arc de cercle autour de latête.Pour réaliser une seule image sur ces appareils, il fallait acquérir le signal pendant plusieurs minutes. L'ordinateur auquel ils étaient couplés, nécessitait deux heures et demie pour traiter chaque coupe ou tomographie. Ces images tomodensitométriques du cerveau permirent de visualiser, pour la première fois en imagerie, le tissu cérébral et lesventriculesremplis deliquide cérébrospinal.Les appareils suivants permirent ensuite de produire des images de toutes les parties du corps humain. D'une matrice grossière de 80 × 80, on est passé rapidement à des pixels plus petits, jusqu'à une résolution d'images de 512 × 512.

Les différents types d'appareils

Innovation dans la tomodensitométrie: le CT-scan à double source. Deux sources de RX placées à angle droit permettent de diviser par deux la résolution temporelle. Cela entraine une diminution du flou cinétique présent sur les CT-scan à 64 barrettes de détecteurs et permet soit une acquisition deux fois plus rapide, soit une acquisition avec une double dose derayons X(patients obèses), soit une acquisition avec deux énergies différentes.

Les anciennes générations de scanners à acquisition séquentielle ne permettaient d'acquérir que des coupes successives isolées: la table mobile sur laquelle le patient est étendu était déplacée de quelques millimètres dans la structure circulaire ou anneau puis immobilisée pendant la mesure, et ainsi de suite pour chaque niveau d'acquisition assimilé à une coupe transversale. Les anciennes générations de tubes à rayons X avaient en outre une capacité d'évacuation de la chaleur trop faible pour être compatible avec une cadence d'acquisition élevée.

Dans lesscanners spiralésouhélicoïdauxdisponibles depuis lesannées 1990,l'émission desrayons Xest continue durant toute la séquence, la table d'examen progressant à vitesse constante et fixée dans l'anneau. La réalisation de l'examen est beaucoup plus rapide (de quelques centaines de millisecondes à quelques secondes), et plus confortable dans beaucoup de cas (apnée de quelques secondes pour les examens thoraciques, au lieu de plusieurs apnées correspondant à chaque coupe) et fournit une meilleure qualité d'images. La durée de révolution du tube émetteur est passée de 2 secondes à 0,25 seconde sur les appareils de dernière génération. Les acquisitions rapides ont permis le développement de l’angioscanner,technique non invasive d'exploration desvaisseaux sanguinsdurant le court temps de transit vasculaire du produit de contraste après son injection intraveineuse, supplantant l'angiographieinvasive dans maintes indications à visée diagnostique.

LeScanner multi-barrettesassocie, à la technique hélicoïdale, un nombre de capteurs plus importants (de deux barrettes ou rangées de détecteurs sur le premier modèle de1993,jusqu'à 320 barrettes en2007^[Quand?],permettant des coupes plus fines et l'accession à la reconstruction tridimensionnelle de structures de taille réduite (artères coronairesouosselets de l'oreille moyenne,par exemple). La dose d'irradiation qui en résulte est néanmoins nettement supérieure aux premières générations.

LeScanner double tube(ouScanner spectral) (Somatom Definition(2005),Somatom Definition Flash(2009) et Somatom Force de Siemens Healthineers) est le premier scanner à double source mettant en œuvre une technologie dans laquelle deux sources derayons Xdisposées à angle droit l’une par rapport à l’autre offre une vitesse d’acquisition (737mm/s) et une résolution temporelle (65ms) deux fois plus élevée. Il est également possible d'utiliser les deux tubes simultanément à des énergies différentes (double énergie DE), ce qui ouvre de nouveaux domaines d'utilisation, comme l’évaluation de la composition descalculs rénaux,la réduction des artefacts métalliques, l'évaluation de laperfusionpulmonaire et myocardique ou bien encore la soustraction automatique des os et du produit de contraste.

Depuis la fin des années 1990, l'Imagerie volumétrique par faisceau conique(ou cone beam) permet un examen précis des tissus minéralisés (dents, cartilages, os) de la tête ou de petites parties du corps (poignets, chevilles).

Réalisation de l'examen tomodensitométrique

L'examen standard peut être fait dans toute circonstance, à condition que le patient puisse être immobile sur la table une dizaine de secondes. Il n'y a pas de nécessité d'être àjeunsauf rares explorations particulières. En cas degrossesse,la justification (indication) de l'examen et son rapport bénéfice sur risque doivent être soigneusement évalués, du fait de la sensibilité particulière dufœtusà l'irradiation,particulièrement en tout début de grossesse.

L'examen peut nécessiter une injection intraveineuse d'unproduit de contrasteiodé. On s'assure que le patient a une fonction rénale correcte (taux sanguin decréatinine,et débit de filtrationglomérulaireou clairance de la créatinine, normaux) et qu'il n'existe pas d'antécédent personnel d'allergieà unproduit de contrasteiodé. Dans le cas contraire, soit l'examen est réalisé sans produit de contraste, soit l'examen est remplacé par une autre technique, soit il est reporté le temps que le patient se soit soumis aux tests d'allergologie, soit un traitement à visée préventive anti-allergique est administré au préalable par voie intraveineuse en cas d'examen urgent et sous haute surveillance. De plus, pour éviter une possible insuffisance rénale, le patient diabétique traité par des médicaments à base demetformineou biguanides doit interrompre ce traitement anti-diabétique oral durant les 48 heures suivant l'administration de produit de contraste iodé, et le reprendre après vérification de l'absence d'apparition d'uneinsuffisance rénale(néphropathie aux produits de contraste).Il est recommandé pour tout patient, sauf contre-indication particulière, de bien s'hydrater par voie orale les heures précédant et la journée suivant l'examen.

Une voie d'abord veineuse (cathéter court) est mise en place avant l'examen et le produit de contraste est injecté peu de temps avant l'acquisition. Au moment de l'injection du produit de contraste iodé (environ 70 % des examens), la majorité des patients ressentent une sensation de chaleur au niveau de la gorge et du pelvis, qui dure environ10à30secondeset qui est liée à la vasodilatation provoquée par l'hyper-osmolarité du produit.

Durant l'acquisition, les images sont visualisées sur une console informatique par lemanipulateur en électroradiologie médicaleet par le médecin radiologue.

Simultanément, le radiologue reçoit sur sa console de visualisation et de traitement l'ensemble des données acquises (de 150 à plus de 2 000 images).

Celles-ci se présentent sous la forme de « coupes » ou tranches d'épaisseur millimétrique (de 0,4mmà 10mm) que le radiologue peut étudier dans tous les plans de l'espace (sagittal, axial, coronal et obliques), et qu'il s'agit de post-traiter (augmentation de l'épaisseur des coupes visualisées, mise en valeur de certaines densités, reconstructions volumiques en 3D, extraction des vaisseaux ou des structures osseuses, navigation virtuelle endoscopique,etc.).

Images obtenues après traitement des données.

Les images sont transmises au correspondant soit sous forme de films radiologiques ou imprimées sur papier (dans ce cas il s'agit d'une sélection d'images dites pertinentes), soit sous format numérique, c'est-à-dire sous forme de fichiers informatiques gravés sur un supportCD-ROM;le format d'image couramment utilisé est le format « médical »DICOMnécessitant un logiciel de visualisation simple gravé avec le CD, mais parfois les images sont converties au formatJPEGpour permettre la visualisation sommaire sur tout ordinateur.

Complications et précautions

La tomodensitométrie est un examen en théorie anodin. Il existe néanmoins quelques rares contre-indications liées à l'injection éventuelle de produit de contraste iodé:insuffisance rénale,contre-indication médicamenteuse (notamment les médicaments anti-diabétiques detypeIIcomme lametformine), allergie avérée à un ou plusieurs produits de contraste iodés, l'allaitement et bien évidemment en cas de grossesse (sauf cas particulier comme la pelvimétrie prénatale ou s'il existe une urgence vitale).

Les jeunes enfants, avant quatre ans, ont souvent du mal à conserver l'immobilité et nécessitent une prémédication sédative ou une contention dans un matelas adapté.

Chez les patients anxieux ou très agités non coopératifs, une prémédication anxiolytique ou sédative (on administre des médicaments pour réduire l'anxiété ou provoquer un sommeil court et léger) voire une brève anesthésie, permettent la réalisation de l'examen.

Durant la grossesse, il faut éviter de principe l'exploration du pelvis ou l'utilisation de produit de contraste iodé mais le rapport bénéfice/risque doit être apprécié au cas par cas.

Lors d'utilisation de produits de contraste iodés

CAT scan rénale, hépatique, contraste iodés

Le risque est celui d'uneallergieau produit de contraste allant de la simple réaction cutanée (urticaire) auchoc anaphylactiqueengageant le pronostic vital. Pour cette raison, on privilégie les produits de contraste iodés dits « non-ioniques », et le patient ayant bénéficié d'une injection de produit de contraste iodé est gardé en surveillance quelque temps après l'administration du produit. La seule prévention raisonnablement sécurisée est de proscrire définitivement l'administration du produit de contraste particulier qui a provoqué chez un patient une réaction adverse de type allergique. En pratique, on recommande de faire pratiquer des tests d'allergie par un allergologue, qui testera tous les produits de contrastes disponibles sur le marché et indiquera dans ses conclusions s'il apparaît que le patient réagit anormalement ou non à telle ou telle préparation. Le médecin radiologue évaluera le rapport bénéfice/risque vis-à-vis des produits auxquels le patient n'aura pas réagi anormalement, sachant qu'une allergie peut apparaître ultérieurement à un produit jusqu'alors jugé sans risque.

Les produits de contraste iodés étant néphrotoxiques, il existe également une possible aggravation d'uneinsuffisance rénalepréexistante. Les risques sont majorés en cas dediabèteet de défaut d'hydratation.

Irradiation

Le risque est celui de développer uncancerà distance de l'examen.

L'irradiation de la population par lesrayons Xutilisés en imagerie médicale a été multipliée par six aux États-Unis en un peu moins de 25 ans, la moitié des doses administrées étant imputée aux tomodensitomètres.En France, elle a augmenté de 50 % entre 2002 et 2007.L'augmentation de ces doses s'explique principalement par trois raisons: changement de nature des actes (augmentation du nombre d'examen fait par scanner), augmentation des doses pour obtenir une image plus contrastée, banalisation de l'acte de radiodiagnostic.

Certains types d'examens, par la multiplicité des coupes requises, sont particulièrement irradiants comme lescanner des artères coronairesdont la dose peut atteindre, dans certains cas, 600 fois celle d'une simple radiographie pulmonaire.Un examen complet du corps expose l'individu concerné à 20mSven une seule fois,soit l’équivalent de la dose de rayonnements maximum recommandée annuellement pour les salariés du nucléaire.

Le risque individuel d'une telle exposition n'est pas nul et chaque indication d'examen doit donc être soigneusement pesée suivant le bénéfice attendu (directives de radioprotection). Ce risque peut être néanmoins estimé par des modélisations;selon la presse américaine, en 2010, au moins 400 patients aux États-Unis auraient été exposés à une sur-irradiation lors d'examens CT de perfusion ducerveau.Le risque peut être quantifié statistiquement: il est d'autant plus élevé que le scanner a été réalisé chez un sujet jeune (enfant ou adolescent), avec un nombre de cancers augmenté de près d'un quart sur dix ans.Ces chiffres devraient cependant diminuer, l'irradiation étant moindre qu'il y a quelques années.

Autres usages

• Contrôle-qualité dans l'industrie
• Examen d'objets anciens (tableaux, objets d'art…).
• Exploration des restesfossiles,notamment enpaléoneurologiepour l'observation des crânes fossilisés.
• Examen de contenu à risque.
• Examen de contenants fermés (cercueils à momies, etc.).
• Examen de l'intérieur d'un tronc ou d'une pièce de bois l'intérieur de morceaux d'arbrespour y observer les structures internes etépicormiques.Des recherches suissescherchent à engager la tomodensitométrie dans les scieries, afin d'optimiser les découpes. En passant unegrumeau travers d'un CT, il est possible de visualiser les nœuds internes du bois, et ainsi de procéder au sciage de manière à réduire les faiblesses des planches par un ajustement de leur position par rapport aux branches. Cette méthode n'est de loin pas encore généralisée, car très onéreuse.
• Numérisation 3D d'animaux congelés ou préservés dans un fluide conservateur.L’injection d’iode dans certains organes d’un animal (grenouille par exemple) permet en outre de visualiser de manière très précise les muscles, glandes, le système nerveux, des œufs, des parasites,etc.Il est ainsi prévu de numériser environ 20 000 animaux conservés dans plus d'une quinzaine de musées américains à partir deseptembre 2017,dans le cadre du projet « Open Exploration of Vertebrate Diversity in 3D » (plus souvent dénomméscan-all-vertebrates), doté de 2,5 millions de dollars et soutenu par la National Science Foundation. Un représentant de 80 % des genres de vertébrés connus sera traduit en image 3D et environ 1 000 spécimens seront colorés à l’iode pour montrer les tissus mous, tels que muscles, système circulatoire, cerveau,etc..Ces rendus 3D seront stockés dans la base « MorphoSource »à l'Université Duke de Caroline du Nord.Ils seront gratuitement disponibles à condition de ne pas en faire d’usage commercial au service de la Recherche dans des domaines tels que le biomimétisme, l'anatomie comparée, la biologie du développement, la biométrie,etc.Il devient ainsi possible d’étudier dans le monde entier les détails anatomiques des organismes uniques, rares ou menacés, à partir de seulement un ou deux spécimens connus.Ces rendus 3D trouveront probablement aussi d'éventuelles valorisations pédagogiques via lesimprimantes 3Det les casques deréalité virtuelle.

Bibliographie

• Dr Sophie Taieb et Dr Alain Taieb,Passer un scanner,Ardenais, Les Asclépiades,2003,126p.(ISBN2-915238-04-9)

Voir aussi

Articles connexes

• Imagerie médicale
• Scanner spectral
• Tomosynthèse
• Cone beam