La physique au service de la médecine : de l`imagerie
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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 Plan Introduction o Physique et médecine o Historique Partie 1 : Imagerie médicale o Echographie o Radiographie et Scanner à rayons X (CT) o Autres techniques d’imagerie MEG, TEP, IRM, SPECT, fluorescence Partie 2 : Thérapie o Chirurgie réfractive de l’œil o Radiothérapie conventionnelle US, Curiethérapie, RX o Hadronhérapie Conclusion UDPPC OCTOBRE 2014 2 Introduction UDPPC OCTOBRE 2014 3 Physique et médecine Petite 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 Exemple de saignée Diagnostique Traitement Progrès de la physique o Amélioration des instruments de mesure Stéthoscope o Nouveaux instruments de mesure en lien avec les progrès de la physique Imagerie nucléaire o Nouvelles technique de traitement Stéthoscope du XIXème siècle Sorcellerie moderne UDPPC OCTOBRE 2014 4 Sorcellerie des années 1920 : la radioactivité Publicité des années 1920 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 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 ! " 5 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 6 Buvard montrant les effets des rayons X o Willhem RÖNTGEN (1845-1923) Les Dupont et Dupond dans Tintin (Objectif Lune) Découverte des rayons X (1895) Radiographie de main Quelques dates clé L’imagerie médicale PARTIE 1 UDPPC OCTOBRE 2014 7 ECHOGRAPHIE ULTRASONORE Echographie ultrasonore Onde sonore o 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 ultrasonore o 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) UDPPC OCTOBRE 2014 Paul Langevin à bord du navire « l’Orage » à Toulon en 1917. 9 Echographie ultrasonore Réflexion de l’onde dominée par l’impédance acoustique o𝑍 =𝜌⋅𝑣 o Diminution des interfaces gel aqueux Mode brillance o Paquet d’ultrasons envoyés à fréquence fixe Principe de l’échographie ultrasonore o Temps de réflexion position o Amplitude de l’onde réfléchie = différence d’impédance intensité UDPPC OCTOBRE 2014 10 Quelques dates de l’échographie 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 UDPPC OCTOBRE 2014 11 Echographie Doppler Exploitation de l’effet Doppler-Fizeau Principe de l’effet Doppler 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 UDPPC OCTOBRE 2014 Echographie Doppler du flux sanguin 12 RADIOGRAPHIE ET SCANNER À RAYONS X Production des rayons X Faisceau d’électrons sur une cible (Mo,W) Fluorescence X Effet Bremsstrahlung o Bremsstrahlung (rayonnement de freinage) o Fluorescence X UDPPC OCTOBRE 2014 Spectre d’émission d’un vieux tube à rayons X à base de cuivre 14 Interaction avec la matière des rayons X Effet photoélectrique o Expliqué en 1905 par A. Einstein o Absorption d’un photon o Éjection d’un électron Effet photoélectrique Atténuation o 𝜙 = 𝜙0 ⋅ exp −𝑁 ⋅ 𝜎 ⋅ 𝑥 Z du matériau (𝜎 ∝ 𝑍 𝑛 , 𝑛 ∈ [3; 5]) Densité du matériau (𝑁 ∝ 𝜌) Épaisseur du matériau (x) UDPPC OCTOBRE 2014 15 Radiographie Tube à rayons X o Faisceau d’électrons o Anode tournante Films radiographiques Marie Curie au volant d’une Renault transformée en unité de radiologie, 1914. Détails d’un tube à rayons X UDPPC OCTOBRE 2014 Principe d’un tube radiographique 16 Petit exercice Lyonnais Comment connaître la position des pralines dans la brioche aux pralines ? 1) Tranches régulières 2) Reconstruction du modèle 3D UDPPC OCTOBRE 2014 17 Tomographie et coupes Tomographie du grec tomos (tomos) « morceau coupé » Coupe 2D projections multiples Principes des coupe en tomographie o Nécessaire pour visualiser des objets complexes UDPPC OCTOBRE 2014 18 Imagerie et reconstruction 3D Un ordinateur assemble les différentes coupes pour recréer un modèle 3D o Visualisation 3D o Nouvelle coupes possibles Principe de la reconstruction UDPPC OCTOBRE 2014 19 Scanner à rayons X Plusieurs coupes o Scanner = détecteur + lit motorisé Détecteurs multi-barrettes Emetteur X large Coupes hélicoïdales Reconstruction o Ordinateur (cluster) Stockage des données o Réseau PACS Principe du scanner UDPPC OCTOBRE 2014 20 AUTRES TECHNIQUES D’IMAGERIE 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 Examen de MEG sur un enfant UDPPC OCTOBRE 2014 22 Tomographie par émission de positons (TEP) Marqueur radioactif Principe de la TEP b+ o Fluorodésoxyglucose (18F) 18 9 b F 188O 10e 00 e puis e e 2 E=0,511 MeV et p1= - p2 Tomographie par émission de positons mettant en évidence, dans le cerveau, le récepteur GABA/A Tomographie par émission de positons UDPPC OCTOBRE 2014 23 Imagerie par Résonance Magnétique Principe physique o Excitation du spin proton contenus dans l’hydrogène de l’eau o Champs magnétiques intenses o Produits de contraste Effet d’un champ magnétique sur l’orientation des spins des protons UDPPC OCTOBRE 2014 24 Imagerie par Résonance Magnétique Caractéristique de l’IRM o Imagerie fonctionnelle o Coût très élevé Imagerie IRM du système sanguin par produits de contraste UDPPC OCTOBRE 2014 Appareil d’IRM 25 Caméra mono-photonique (SPECT) Tomographie d’émission monophotonique Appareil d’examen de SPECT o Injection d’un radio-isotope et utilisation détecteur collimaté o Reconstruction d’image Production en cyclotrons médicaux de différents isotopes o 99mTc : scintigraphie osseuse, activité cérébrale o 123I : scintigraphie thyroïdienne o 201Tl ou 99mTc : scintigraphie cardiaque 201Tl 123I UDPPC OCTOBRE 2014 99mTc Principe de la SPECT 26 Imagerie optique Endoscopie, cœlioscopie : mini-caméra et fibre optique Tomographie par Cohérence Optique: imagerie optique de l’œil avec un laser de très faible puissance. Dégénérescence maculaire Glaucome Diabète… Imagerie des caries par fluorescence o Fluorescence de la porphyrine résidus produits par les bactéries responsables des caries Principe de l’imagerie par fluorescence UDPPC OCTOBRE 2014 OCT d’une rétine Image de fluorescence d’un dent 27 La thérapie PARTIE 2 UDPPC OCTOBRE 2014 28 LES CHIRURGIES RÉFRACTIVES DE L’ŒIL UDPPC OCTOBRE 2014 29 Chirurgies réfractives de l’œil Modification de la cornée par un laser LASIK (laser in situ keratomileusis) Œil 90% des indications Découpe d’un volet microkératome ou laser femtoseconde IR [~500 fs], découpe par cavitatoin Application du laser pour la photoablation Etapes successives de de la chirurgie oculaire par technique LASIK. Découpe d’une lamelle avec le microkératome, envoie du laser et replacement du volet découpé à sa place. Etat de surface de la cornée avec différentes techniques de découpe 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 UDPPC OCTOBRE 2014 Intervention de la myopie de l’œil au laser 30 THÉRAPIE ULTRASONORE Thérapie - Ultrason Destruction du corps étranger (tumeur, calcul) par échauffement o 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) LA CURIETHÉRAPIE La curiethérapie Curiethérapie = Brachytherapy (hommage à Marie Curie) Implantation directe de la source radioactive dans la tumeur o 192Ir et 137Cs (avant Ra) Sources de curiethérapie Procédure de mise en place des sources (en rouge) Sous contrôle échographique Mettre en contact avec la tumeur une source radioactive pendant un temps donné UDPPC OCTOBRE 2014 Projecteur de sources 34 Radiothérapies vectorisées Fabrication 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 RADIOTHÉRAPIE CONVENTIONNELLE La radiothérapie X Principe 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 Simulation de dose avec plusieurs faisceau Image de TPS (Treatment Planning System) IMRT UDPPC OCTOBRE 2014 37 La radiothérapie X moderne Evolutions : o Modulation de l’intensité : IMRT o Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT = RapidArc) http://www.youtube.com/watch?v=4SdMLL4nuco UDPPC OCTOBRE 2014 38 HADRONTHÉRAPIE UDPPC OCTOBRE 2014 40 Hadronthérapie : soigner avec des ions Avantages par rapport à la radiothérapie conventionnelle Dose physique Dphys Pic de Bragg Pic de Bragg Efficacité Biologique Relative EBR Drayon x D particule même effet DBiol = DPhys x EBR UDPPC OCTOBRE 2014 41 Un avantage par rapport à la radiothérapie X Dose relative carbone (270 MeV/u) Profondeur dans l’eau (mm) UDPPC OCTOBRE 2014 Comparaison de planification Protonthérapie (haut) IMRT(bas) 42 Hadronthérapie (ions carbone ou proton) Exemple de système de traitement par protons Schéma d’un centre de hadronthérapie UDPPC OCTOBRE 2014 43 Conclusion UDPPC OCTOBRE 2014 44 Conclusion Innovations en Physique nombreuses applications en médecine o 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 Détecteur EOS Ingénieur biomédical (ex Polytech® Lyon), radio-physicien, manipulateur radio, … La physique reste une science o Applications = ≠ prétextes pour faire transmettre une culture ‘physique’ du but de la physique (expliquer le monde) UDPPC OCTOBRE 2014 45 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. Merci de votre attention UDPPC OCTOBRE 2014 47 Publicité C. Ray et L. Salès, Consoles et jeux vidéo. Comment ça marche ?, Belin Jeunesse, 2014.
