la physique au service de la médecine : de l’imagerie au
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La physique au service de la médecine : de l’imagerie au traitement
DR CÉDRIC RAY
MAÎTRE DE CONFÉRENCES À L’UNIVERSITÉ CLAUDE BERNARD LYON 1
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UDPPC OCTOBRE 2014 2
Plan Introduction
o Physique et médecine o Historique
Partie 1 : Imagerie médicale o Echographieo Radiographie et Scanner à rayons X (CT)o Autres techniques d’imagerie
MEG, TEP, IRM, SPECT, fluorescence
Partie 2 : Thérapieo Chirurgie réfractive de l’œilo Radiothérapie conventionnelle
US, Curiethérapie, RX
o Hadronhérapie
Conclusion
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Introduction
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Physique et médecinePetite histoire « caricaturée » de la médecine :o Sorcellerie
2ème av J.-C. : Patte de poulet autour du « malade »
o Observation traitement 17ème ap J.-C. : observations saignée !
o Symptômes Mesure de paramètres physiologique Diagnostique Traitement
Progrès de la physiqueo Amélioration des instruments de mesure
Stéthoscope
o Nouveaux instruments de mesure en lienavec les progrès de la physique Imagerie nucléaire
o Nouvelles technique de traitement Sorcellerie moderne
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Stéthoscope du XIXème
siècle
Exemple de saignée
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Sorcellerie des années 1920 : la radioactivité
Crème au radium contre les rides" La Science a créé Tho-Radia pour embellir les femmes.
À elles d'en profiter. Reste laide qui veut ! "
Appareils de beauté en caoutchouc radioactif ; masques,
mentonnières, affine-nuques, bandes-chevilles, ceintures
amaigrissantes. Le caoutchouc radioactif, à porter une demi-heure
par jour, " faisait maigrir rapidement sans nuire à la santé "
Des stations thermales vantèrent la radioactivité de leur
eau. L'industrie pharmaceutique mit sur le marché des
produits à base de radium : la Tubéradine soignant la
bronchite, la Digéraline facilitant la digestion, la
Vigoradine luttant contre la fatigue.
Eben Byers, meurt en 1931 des
suites d'un empoisonnement par le
radium. Car il but de 1927 à 1931,
1000 et 1500 flacons de Radithor
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Publicité des années 1920
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Quelques dates clé
Découverte des rayons X (1895)o Willhem RÖNTGEN (1845-1923)
Découverte de la piézo-électricité (1880)o Pierre Curie (1859-1906) o Jacques Curie (1856-1941)
Découverte de la radioactivité (1898)o Marie Curie-Sklodowska (1867-1934)o Pierre Curie (1859-1906)
Invention du cyclotron (1928-1930)o Ernest Lawrence (1901-1958)
Invention du linac à électron (1947)o William Hansen
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Rad
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L’imagerie médicale
PARTIE 1
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ECHOGRAPHIE ULTRASONORE
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Echographie ultrasonoreOnde sonoreo Variation de pression de l’air (20Hz -20kHz)
o Le ‘La’ à 440 Hz (A440 dans Emilie Jolie)
o Onde ultrasonore 𝑓 ∈ [1 MHz; 15 MHz]
Production d’une onde ultrasonoreo Effet piézo-électrique (1880)
o Pierre (1859-1906) et Jacques Curie (1856-1941) Un cristal de quartz (SiO2) soumis à une pression
mécanique présente une différence de potentiel électrique entre ses faces
Autre cristaux: CaTiO3 , Pb(Zrx ,Ti1–x )O3 (appelé PZT), BaTiO3
1er émetteur-détecteur d’ultrasons en 1917 pour les sous-marins (Paul Langevin)
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Paul Langevin à bord du navire « l’Orage » à Toulon en 1917.
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Echographie ultrasonoreRéflexion de l’onde dominée par
l’impédance acoustiqueo 𝑍 = 𝜌 ⋅ 𝑣
o Diminution des interfaces gel aqueux
Mode brillanceo Paquet d’ultrasons envoyés à fréquence fixe
o Temps de réflexion position
o Amplitude de l’onde réfléchie = différence d’impédance intensité
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Principe de l’échographie ultrasonore
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Quelques dates de l’échographie
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1974 : première échographie fœtale (peu exploitable)
1980 : détails de l’anatomie (structure du cœur…)
1990 : accès au fonctionnement des organes
Aujourd’hui : échographie ultrasonore 3D
Echographie fœtale 3D
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Echographie Doppler
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Exploitation de l’effet Doppler-Fizeau o Décalage de la fréquence
𝑓𝑟𝑒𝑐 = 1 −𝑣𝑟𝑒𝑐
𝑐⋅ 𝑓𝑒𝑚
Ex: la machine à balles
Mesure du décalage de fréquence sur les globules rouge
Principe de fonctionnement de l’échographie Doppler Echographie Doppler du flux sanguin
Principe de l’effet Doppler
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RADIOGRAPHIE ET SCANNER À RAYONS X
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Production des rayons XFaisceau d’électrons sur une cible (Mo,W)o Bremsstrahlung (rayonnement de freinage)
o Fluorescence X
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Flu
ore
scen
ce X
Effe
t B
rem
sstr
ahlu
ng
Spectre d’émission d’un vieux tube à rayons X à base de cuivre
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Interaction avec la matière des rayons XEffet photoélectrique o Expliqué en 1905 par A. Einstein
o Absorption d’un photon
o Éjection d’un électron
Atténuationo 𝜙 = 𝜙0 ⋅ exp −𝑁 ⋅ 𝜎 ⋅ 𝑥
Z du matériau (𝜎 ∝ 𝑍𝑛, 𝑛 ∈ [3; 5])
Densité du matériau (𝑁 ∝ 𝜌)
Épaisseur du matériau (x)
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Effet photoélectrique
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RadiographieTube à rayons Xo Faisceau d’électrons
o Anode tournante
Films radiographiques
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Marie Curie au volant d’uneRenault transformée en unitéde radiologie, 1914. Détails d’un tube à rayons X Principe d’un tube radiographique
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Petit exercice LyonnaisComment connaître la position des pralines dans la brioche aux
pralines ?
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1) Tranches régulières 2) Reconstruction du modèle 3D
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Tomographie et coupes Tomographie du grec tomos (tomos) « morceau coupé »
Coupe 2D projections multipleso Nécessaire pour visualiser des objets complexes
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Pri
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Imagerie et reconstruction 3DUn ordinateur assemble les différentes coupes pour recréer un
modèle 3Do Visualisation 3D
o Nouvelle coupes possibles
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Principe de la reconstruction
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Scanner à rayons XPlusieurs coupeso Scanner = détecteur
+ lit motorisé Détecteurs multi-barrettes
Emetteur X large
Coupes hélicoïdales
Reconstructiono Ordinateur (cluster)
Stockage des donnéeso Réseau PACS
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Principe du scanner
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AUTRES TECHNIQUES D’IMAGERIE
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La magnétoencéphalographie (MEG) Principe o Activité magnétique générée par
l’activité électrique des neurones du cerveau (induction)
o Mesure très rapide (ms)
Détection de maladies diverses o Désordres psychiatriques et
neurologiques Démence
Maladie d’Alzheimer
o Autres maladies
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Examen de MEG sur un enfant
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Tomographie par émission de positons (TEP)Marqueur radioactif b+
o Fluorodésoxyglucose (18F)
eeOF b 0
0
0
1
18
8
18
9
2 ee
Tomographie par émission de positons mettant en évidence, dans le cerveau, le
récepteur GABA/A
puis
E=0,511 MeV et p1= - p2
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Tomographie par émission de positons
Principe de la TEP
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Imagerie par Résonance MagnétiquePrincipe physiqueo Excitation du spin proton contenus dans l’hydrogène de l’eau
o Champs magnétiques intenses
o Produits de contraste
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Effet d’un champ magnétique sur l’orientation des spins des protons
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Imagerie par Résonance MagnétiqueCaractéristique de l’IRMo Imagerie fonctionnelle
o Coût très élevé
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Appareil d’IRMImagerie IRM du système sanguin par produits de contraste
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Caméra mono-photonique (SPECT)Tomographie d’émission monophotoniqueo Injection d’un radio-isotope et utilisation
détecteur collimaté
o Reconstruction d’image
Production en cyclotrons médicaux de différents isotopeso 99mTc : scintigraphie osseuse, activité cérébrale
o 123I : scintigraphie thyroïdienne
o 201Tl ou 99mTc : scintigraphie cardiaque
201Tl 123I
99mTc
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Principe de la SPECT
Appareil d’examen de SPECT
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Imagerie optiqueEndoscopie, cœlioscopie : mini-caméra et fibre optique
Tomographie par Cohérence Optique: imagerie optique de l’œil avec un laser de très faible puissance.
Imagerie des caries par fluorescenceo Fluorescence de la porphyrine
résidus produits par les bactéries responsables des caries
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Dégénérescence maculaireGlaucomeDiabète…
Image de fluorescence d’un dentPrincipe de l’imagerie par fluorescence
OCT d’une rétine
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La thérapie
PARTIE 2
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LES CHIRURGIES RÉFRACTIVES DE L’ŒIL
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Chirurgies réfractives de l’œilModification de la cornée par un laser
LASIK (laser in situ keratomileusis) 90% des indications
Découpe d’un volet
microkératome ou
laser femtoseconde IR [~500 fs], découpe par cavitatoin
Application du laser pour la photoablation
PKR (photorefractive keratectomy) Technique ancienne : 1987 chez l’homme
Traitements des myopies faibles et moyennes (jusqu’à -5 d)
Grattage de l’épithélium cornéen après anesthésie puis illumination
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Intervention de la myopie de l’œil au laser
Etapes successives de de la chirurgie oculaire partechnique LASIK. Découpe d’une lamelle avec lemicrokératome, envoie du laser et replacementdu volet découpé à sa place.
Etat de surface de la cornée avecdifférentes techniques de découpe
Œil
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THÉRAPIE ULTRASONORE
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Thérapie - UltrasonDestruction du corps étranger (tumeur, calcul) par échauffemento HIFU : Focalisation des US de grande intensité grâce à un émetteur parabolique
o Futur : Délivrance ponctuelle de médicaments
Tumeurs cérébrales
Exemple d’émetteur HIFU (High Intensity Focused Ultrasound)
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LA CURIETHÉRAPIE
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La curiethérapieCuriethérapie = Brachytherapy (hommage à Marie Curie)
Implantation directe de la source radioactive dans la tumeuro 192Ir et 137Cs (avant Ra)
Mettre en contact avec la tumeur une source radioactive pendant un temps donné
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Projecteur de sources
Sources de curiethérapie Procédure de mise en place des sources (en rouge)Sous contrôle échographique
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Radiothérapies vectoriséesFabrication d’un médicament radio-marqué qui emmène le
radionucléide au contact de la tumeur o « bombardement à bout portant » des cellules cancéreuses
o 2 isotopes : iode-131, l’yttrium-90 : émetteurs béta.
Problèmes:o Iode est aussi émetteur gamma
o Radioprotection, confinement des malades
o Yttrium fixé par la moelle osseuse.
En cours d’études:o Nouveau émetteur béta :
Lutetium-177 (clinique), Scandium-47, Cuivre-67?
o Emetteurs alpha : Astate-211?
Cyclotron ARONAX pour la production et l’étude de nouveaux noyaux
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RADIOTHÉRAPIE CONVENTIONNELLE
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La radiothérapie XPrincipe o Distribution de dose pour un faisceau
Dépend de l’énergie
Région de dose build-up (construction de la dose)
o Plusieurs faisceau de photons pour construire la dose voulue
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Image de TPS (Treatment Planning System) IMRTSimulation de dose avec plusieurs faisceau
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La radiothérapie X moderneEvolutions : o Modulation de l’intensité : IMRT
o Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT = RapidArc) http://www.youtube.com/watch?v=4SdMLL4nuco
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HADRONTHÉRAPIE
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Hadronthérapie : soigner avec des ions Avantages par rapport à la radiothérapie conventionnelle
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Pic de Bragg
effetmêmeparticule
xrayon
D
DEBR
Pic de Bragg
DBiol = DPhys x EBR
Dose physique Dphys
Efficacité Biologique Relative
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Un avantage par rapport à la radiothérapie X
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Profondeur dans l’eau (mm)
Do
se r
elat
ive
carbone (270 MeV/u)
Comparaison de planification Protonthérapie (haut)IMRT(bas)
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Hadronthérapie (ions carbone ou proton)
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Exemple de système de traitement par protons
Schéma d’un centre de hadronthérapie
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Conclusion
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Conclusion Innovations en Physique nombreuses applications en médecineo Découverte d’un nouveau champ de la physique (physique nucléaire)
systèmes de radiographie, traitements
o Evolution des détecteurs en physique des particules / physique nucléaire nouveaux détecteurs pour l’imagerie médicale (ex : EOS imaging©)
o Besoin de calcul du CERN amélioration de performance reconstruction des images
o Evolution des accélérateurs production des radio-isotopes, radiothérapie, hadron thérapie
o Métiers physique/médical Ingénieur biomédical (ex Polytech® Lyon), radio-physicien, manipulateur radio, …
La physique reste une scienceo Applications = prétextes pour faire transmettre une culture ‘physique’
≠ du but de la physique (expliquer le monde)
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Détecteur EOS
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Bibliographie Le point sur l’imagerie médicale, Science & Vie n° 1042, juillet
2004, p.104.
Un faisceau d’ultrasons pour construire une image, La Recherche n°378, septembre 2004.
C. Ray et J.-C. Poizat, La physique par les objets quotidiens :2ème édition augmentée, Belin, 2014.
P. Radvanyi, Les Curie – Pionniers de l’atome, Belin, 2005.
J.-M. Courty et E. Kierlik, La physique surprise, Belin, 2006.
D. Le Bihan, Le cerveau de cristal, Odile Jacob, 2012.
![Page 47: La physique au service de la médecine : de l’imagerie au](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012419/6173cd8fc20db347cb6cccda/html5/thumbnails/47.jpg)
Merci de votre attention
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