la physique au service de la médecine : de l’imagerie...
TRANSCRIPT
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
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
UDPPC OCTOBRE 2014 4
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
5
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
6
Rad
iogr
aph
ie d
e m
ain
B
uva
rd m
on
tran
t le
sef
fets
des
ra
yon
s X
Les
Du
po
nt
et D
up
on
d
dan
sTi
nti
n (
Ob
ject
if L
un
e)
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)
UDPPC OCTOBRE 2014 9
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
UDPPC OCTOBRE 2014 10
Principe de l’échographie ultrasonore
Quelques dates de l’échographie
UDPPC OCTOBRE 2014 11
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
UDPPC OCTOBRE 2014 12
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
Production des rayons XFaisceau d’électrons sur une cible (Mo,W)o Bremsstrahlung (rayonnement de freinage)
o Fluorescence X
UDPPC OCTOBRE 2014 14
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
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)
UDPPC OCTOBRE 2014 15
Effet photoélectrique
RadiographieTube à rayons Xo Faisceau d’électrons
o Anode tournante
Films radiographiques
UDPPC OCTOBRE 2014 16
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 ?
UDPPC OCTOBRE 2014 17
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
UDPPC OCTOBRE 2014 18
Pri
nci
pes
des
co
up
e en
to
mo
grap
hie
Imagerie et reconstruction 3DUn ordinateur assemble les différentes coupes pour recréer un
modèle 3Do Visualisation 3D
o Nouvelle coupes possibles
UDPPC OCTOBRE 2014 19
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
UDPPC OCTOBRE 2014 20
Principe du scanner
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
UDPPC OCTOBRE 2014 22
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
UDPPC OCTOBRE 2014 23
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
UDPPC OCTOBRE 2014 24
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
UDPPC OCTOBRE 2014 25
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
UDPPC OCTOBRE 2014 26
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
UDPPC OCTOBRE 2014 27
Dégénérescence maculaireGlaucomeDiabète…
Image de fluorescence d’un dentPrincipe de l’imagerie par fluorescence
OCT d’une rétine
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
UDPPC OCTOBRE 2014 30
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 - 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 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
UDPPC OCTOBRE 2014 34
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
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
UDPPC OCTOBRE 2014 37
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
UDPPC OCTOBRE 2014 38
Hadronthérapie : soigner avec des ions Avantages par rapport à la radiothérapie conventionnelle
UDPPC OCTOBRE 2014 41
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
UDPPC OCTOBRE 2014 42
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)
UDPPC OCTOBRE 2014 43
Exemple de système de traitement par protons
Schéma d’un centre de hadronthérapie
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)
UDPPC OCTOBRE 2014 45
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.