Chapitre 1 Principe de l’imagerie à rayons X et état de l’art des générateurs à rayons X
1.2 Le générateur à rayons X : description et état de l’art
1.2.1 Les différentes fonctions du générateur à rayons X
1.2.1.1 La fonction « haute tension »
La génération de la haute tension est assurée par un convertisseur résonant haute fréquence (« inverter ») et un transformateur haute tension avec son circuit de redressement et de filtrage. Ce dernier est enfermé dans une cuve métallique remplie d’huile minérale appelée
« tank ».
La qualité d’une image à rayons X est déterminée par l’énergie de radiation des rayons X qui est proportionnelle à la tension du tube à rayons X [Kim95, Wu99]. La valeur et la forme de cette haute tension sont donc déterminantes quant à la qualité de la radiation. De plus, le contraste d’une image à rayons X est très dépendant du temps de montée et de l’ondulation résiduelle de la haute tension dont l’allure est représentée sur la Figure 1-14. Cette ondulation doit être inférieure à un pour mille dans certaines applications. Une ondulation élevée a pour conséquence une diminution du contraste de l’image [Wu99]. Pour éviter des imperfections sur les images à rayons X, il est important d’appliquer une haute tension DC avec une réponse dynamique la plus rapide possible. Le générateur à rayons X doit donc pouvoir délivrer de la haute tension à des intervalles de temps très faibles et atteindre son état stable en moins d’une milliseconde [Lian01].
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Figure 1-14 Forme d’onde de la haute tension
En pratique, une tension élevée est requise pour les parties denses du corps tandis que pour les tissus mous une tension faible est utilisée [Wu99, Lian01, Sun00]. Aussi, pour le diagnostic des organes en mouvement tel que le cœur et les vaisseaux sanguins, des temps d’émission de rayons X (pose) courts de quelques millisecondes sont demandés [Kim95,
Wu99].
De manière générale, les tensions usuelles sont comprises entre 20 kV et 150 kV et le courant du tube entre 0,5 mA et 1250 mA [Kim95]. Un générateur à rayons- X performant doit être à même de fournir cette large gamme de tension et de courant.
1.2.1.2 La fonction « chauffage du filament »
La carte de chauffage du filament de la cathode est constituée d’un petit onduleur résonant associé à un transformateur de courant qui permet de fournir un courant régulé de chauffage. Le chauffage du filament permet l’excitation des atomes du matériau le constituant. Ce qui a pour effet d’arracher les électrons et de former un nuage électronique autour du filament : c’est l’effet thermo-ionique. La Figure 1-15 montre la courbe d’émission d’un tube à rayons X. On observe bien que l’intensité du courant émis par la cathode est fonction du courant de chauffage mais aussi de la haute tension appliquée au tube. L’influence de cette haute tension est de plus en plus importante lorsque celle-ci baisse. Dans ce cas, on dit que le tube n’est pas totalement saturé. Le circuit de chauffage doit prendre en compte cette caractéristique du tube à rayons X.
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Figure 1-15 Courbe d’émission d’un tube à rayons X pour différentes valeurs de tension 8
1.2.1.3 La fonction « rotation de l’anode »
Les anodes des tubes à rayons X ont été fixes dans le passé et le point d’impact du faisceau d’électrons était toujours le même. Ces anodes fixes étaient rapidement endommagées par le faisceau d’électrons incident qui apporte une énergie thermique considérable. La rotation de l’anode a constitué un progrès important car elle permet d’éviter une dégradation rapide de la surface du matériau constituant l’anode. En effet, la rotation de l’anode permet de répartir la chaleur sur une surface circulaire autour de l’anode, le point d’impact du faisceau d’électrons demeurant le même sur le plan spatial et la surface bombardée reste le moins de temps possible sous bombardement. Plus la vitesse de l’anode est élevée, plus on est en mesure d’atteindre de forte puissance sans endommager l’anode. Le tungstène qui possède des caractéristiques intéressantes (point de fusion à 3600 K, numéro atomique élevé Z = 74 favorable à l’émission des photons X et conductivité thermique élevée) est universellement utilisé pour les anodes des tubes à rayons X sauf pour la mammographie où l’on utilise des anodes en molybdène car on souhaite un spectre bien défini (voir section 1.1.2.3).
8Ce graphe représentant la courbe d’émission d’un tube à rayons X a été réalisé chez General Electric Healthcare, dans le département « Générateur » à Buc (France)
33 Cette rotation est assurée par un onduleur à transistors qui alimente et contrôle un moteur asynchrone à fréquence variable situé dans le tube à rayons X. Ce circuit permet de contrôler le moteur à différents niveaux de fréquences pouvant aller jusqu’à 10000 tours/minute avec des puissances pic de 7 kW.
1.2.1.4 Le logiciel embarqué
Le logiciel embarqué, composé de nos jours de plusieurs cartes programmables qui communiquent entre elles, permet d’assurer les fonctions suivantes :
- Communication avec le système : les cartes de contrôle reçoivent les consignes du système et les transmettent aux cartes de puissance à des temps spécifiques. Concrètement, le générateur reçoit les paramètres de pose (haute tension, courant du tube, et durée d’exposition), vérifie si ces derniers sont acceptables avant de les transmettre dans le circuit interne.
- Synchronisation avec le système : une fois les paramètres de pose reçus, le logiciel embarqué s’assure de la synchronisation des différentes fonctions du générateur. Il lance d’abord la rotation de l’anode et le chauffage du filament en parallèle. Lorsque ces deux fonctions sont prêtes, il envoie une notification au système pour le lancement de la pose et reste en attente du signal de déclenchement avant de lancer la pose avec la fonction haute tension.
- Gestion de l’émissivité du tube : durant la pause, le logiciel embarqué mesure le courant du tube toutes les millisecondes afin de le réguler à sa valeur cible en contrôlant le courant de chauffage du filament.
- Disponibilité du générateur : ce sont toutes les autres fonctions du logiciel embarqué qui ne sont pas directement liées aux poses de rayons X. Il s’agit de la gestion des erreurs, du diagnostic des pannes, du suivi des données et de la mise à jour du logiciel.