Tomodensitométrie

La tomodensitométrie (TDM), dite aussi scanographie, tomographie axiale calculée par ordinateur (TACO), CT-scan (CT : computed tomography), CAT-scan (CAT : computer-assisted tomography), ou simplement scanner ou scanneur pour l'appareil, est une technique d'imagerie médicale qui consiste à mesurer l'absorption des rayons X par les tissus puis, par traitement informatique, à numériser et enfin reconstruire des images 2D ou 3D des structures anatomiques. Pour acquérir les données, on emploie la technique d'analyse tomographique ou « par coupes », en soumettant le patient au balayage d'un faisceau de rayons X.

Bien que la possibilité théorique de créer de tels appareils ait été connue depuis le début du XX^e siècle, ce n'est qu'au début des années 1970 qu'apparaissent les premiers imageurs couplés à, ou « assistés » par, des ordinateurs suffisamment 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 Hounsfield et Allan MacLeod Cormack ont été récompensés par le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1979.

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 des organes. On peut faire ressortir le contraste de certains tissus, en particulier des vaisseaux sanguins, en injectant un produit dit « de contraste » (un complexe de l'iode) qui a la propriété de fortement absorber les rayons X et 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 les années 1990 une exploration très précise d'un large volume du corps humain pour un temps d'acquisition de quelques secondes.

Comme pour toute radiographie, l'exposition répétée aux rayons X peut être nocive pour l'organisme, mais le rapport bénéfice/risque lié à l'irradiation penche 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 corticales osseuses (tissus « durs ») trop pauvres en hydrogène, ni donc la recherche fine de fractures, contrairement à l'examen tomodensitométrique.

Historique

Le principe de la tomodensitométrie repose sur le théorème de Radon (1917) qui décrit comment il est possible de reconstruire la géométrie bidimensionnelle d'un objet à partir d'une série de projections mesurées tout autour de celui-ci. Cette méthode peut être étendue à la reconstruction de la tomographie interne 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 des ordinateurs. 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 en unités 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 par EMI, Godfrey Newbold Hounsfield, d'après les travaux publiés quelques années auparavant par un physicien américain, Allan MacLeod Cormack. Ces deux scientifiques ont ainsi obtenu le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1979 pour le « développement de la tomographie axiale calculée ».

Les premiers prototypes de tomodensitomètre ne permettaient d'« imager » que le cerveau au moyen d'une série de capteurs ou détecteurs disposés en arc de cercle autour de la tête. 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 les ventricules remplis de liquide 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 de rayons 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 les scanners spiralés ou hélicoïdaux disponibles depuis les années 1990, l'émission des rayons X est 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 des vaisseaux sanguins durant le court temps de transit vasculaire du produit de contraste après son injection intraveineuse, supplantant l'angiographie invasive dans maintes indications à visée diagnostique.

Le Scanner multi-barrettes associe, à la technique hélicoïdale, un nombre de capteurs plus importants (de deux barrettes ou rangées de détecteurs sur le premier modèle de 1993, jusqu'à 320 barrettes en 2007^[Quand ?], permettant des coupes plus fines et l'accession à la reconstruction tridimensionnelle de structures de taille réduite (artères coronaires ou osselets de l'oreille moyenne, par exemple). La dose d'irradiation qui en résulte est néanmoins nettement supérieure aux premières générations.

Le Scanner double tube (ou Scanner 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 de rayons X disposées à angle droit l’une par rapport à l’autre offre une vitesse d’acquisition (737 mm/s) et une résolution temporelle (65 ms) 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 des calculs rénaux, la réduction des artefacts métalliques, l'évaluation de la perfusion pulmonaire 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 à jeun sauf rares explorations particulières. En cas de grossesse, la justification (indication) de l'examen et son rapport bénéfice sur risque doivent être soigneusement évalués, du fait de la sensibilité particulière du fœtus à l'irradiation, particulièrement en tout début de grossesse.

L'examen peut nécessiter une injection intraveineuse d'un produit de contraste iodé. On s'assure que le patient a une fonction rénale correcte (taux sanguin de créatinine, et débit de filtration glomérulaire ou clairance de la créatinine, normaux) et qu'il n'existe pas d'antécédent personnel d'allergie à un produit de contraste iodé. 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 de metformine ou 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'une insuffisance 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 environ 10 à 30 secondes et 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 le manipulateur en électroradiologie médicale et 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 0,4 mm à 10 mm) 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 support CD-ROM ; le format d'image couramment utilisé est le format « médical » DICOM nécessitant un logiciel de visualisation simple gravé avec le CD, mais parfois les images sont converties au format JPEG pour 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 de type II comme la metformine), 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'une allergie au produit de contraste allant de la simple réaction cutanée (urticaire) au choc anaphylactique engageant 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'une insuffisance rénale préexistante. Les risques sont majorés en cas de diabète et de défaut d'hydratation.

Irradiation

Le risque est celui de développer un cancer à distance de l'examen.

L'irradiation de la population par les rayons X utilisés 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 le scanner des artères coronaires dont 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 20 mSv en 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 du cerveau. 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 restes fossiles, notamment en paléoneurologie pour 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'arbres pour y observer les structures internes et épicormiques. Des recherches suisses cherchent à engager la tomodensitométrie dans les scieries, afin d'optimiser les découpes. En passant une grume au 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 de septembre 2017, dans le cadre du projet « Open Exploration of Vertebrate Diversity in 3D » (plus souvent dénommé scan-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 les imprimantes 3D et les casques de réalité virtuelle.

Bibliographie

• Dr Sophie Taieb et Dr Alain Taieb, Passer un scanner, Ardenais, Les Asclépiades, 2003, 126 p. (ISBN 2-915238-04-9)

Voir aussi

Articles connexes

• Imagerie médicale
• Scanner spectral
• Tomosynthèse
• Cone beam