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

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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

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

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

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

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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L’imagerie médicale

PARTIE 1

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ECHOGRAPHIE ULTRASONORE

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.

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

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

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

RADIOGRAPHIE ET SCANNER À RAYONS X

Production des rayons XFaisceau d’électrons sur une cible (Mo,W)o Bremsstrahlung (rayonnement de freinage)

o Fluorescence X

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Flu

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Spectre d’émission d’un vieux tube à rayons X à base de cuivre

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

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

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

Tomographie et coupes Tomographie du grec tomos (tomos) « morceau coupé »

Coupe 2D projections multipleso Nécessaire pour visualiser des objets complexes

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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

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

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

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Examen de MEG sur un enfant

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

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

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

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

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

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

THÉRAPIE ULTRASONORE

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)

LA CURIETHÉRAPIE

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

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

RADIOTHÉRAPIE CONVENTIONNELLE

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

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

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)

Hadronthérapie (ions carbone ou proton)

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Exemple de système de traitement par protons

Schéma d’un centre de hadronthérapie

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

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

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PublicitéC. Ray et L. Salès, Consoles et jeux vidéo. Comment ça marche ?,

Belin Jeunesse, 2014.