La physique au service de la médecine : de l imagerie au traitement À L UNIVERSITÉ CLAUDE BERNARD LYON 1

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1 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

2 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

3 Introduction UDPPC OCTOBRE

4 Physique et médecine Petite histoire «caricaturée» de la médecine : o Sorcellerie 2 ème av J.-C. : Patte de poulet autour du «malade» o Observation traitement 17 ème ap J.-C. : observations saignée! o Symptômes Mesure de paramètres physiologique 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 Sorcellerie moderne Diagnostique Traitement Exemple de saignée Stéthoscope du XIX ème siècle UDPPC OCTOBRE

5 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. 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! " 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

6 Les Dupont et Dupond dans Tintin (Objectif Lune) Buvard montrant les effets des rayons X Radiographie de main Quelques dates clé Découverte des rayons X (1895) o Willhem RÖNTGEN ( ) Découverte de la piézo-électricité (1880) o Pierre Curie ( ) o Jacques Curie ( ) Découverte de la radioactivité (1898) o Marie Curie-Sklodowska ( ) o Pierre Curie ( ) Invention du cyclotron ( ) o Ernest Lawrence ( ) Invention du linac à électron (1947) o William Hansen 6

7 L imagerie médicale PARTIE 1 UDPPC OCTOBRE

8 ECHOGRAPHIE ULTRASONORE

9 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 ( ) et Jacques Curie ( ) Un cristal de quartz (SiO 2 ) soumis à une pression mécanique présente une différence de potentiel électrique entre ses faces Autre cristaux: CaTiO 3, Pb(Zr x,ti 1 x )O 3 (appelé PZT), BaTiO 3 1 er émetteur-détecteur d ultrasons en 1917 pour les sous-marins (Paul Langevin) Paul Langevin à bord du navire «l Orage» à Toulon en UDPPC OCTOBRE

10 Echographie ultrasonore Réflexion de l onde dominée par l impédance acoustique o Z = ρ v o Diminution des interfaces gel aqueux Mode brillance o Paquet d ultrasons envoyés à fréquence fixe o Temps de réflexion position o Amplitude de l onde réfléchie = différence d impédance intensité Principe de l échographie ultrasonore UDPPC OCTOBRE

11 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

12 Echographie Doppler Exploitation de l effet Doppler-Fizeau o Décalage de la fréquence f rec = 1 v rec f c em Ex: la machine à balles Mesure du décalage de fréquence sur les globules rouge Principe de l effet Doppler Principe de fonctionnement de l échographie Doppler Echographie Doppler du flux sanguin UDPPC OCTOBRE

13 RADIOGRAPHIE ET SCANNER À RAYONS X

14 Fluorescence X Effet Bremsstrahlung Production des rayons X Faisceau d électrons sur une cible (Mo,W) o Bremsstrahlung (rayonnement de freinage) o Fluorescence X Spectre d émission d un vieux tube à rayons X à base de cuivre UDPPC OCTOBRE

15 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 = φ 0 exp N σ x Z du matériau (σ Z n, n [3; 5]) Densité du matériau (N ρ) Épaisseur du matériau (x) UDPPC OCTOBRE

16 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, Détails d un tube à rayons X Principe d un tube radiographique UDPPC OCTOBRE

17 Petit exercice Lyonnais Comment connaître la position des pralines dans la brioche aux pralines? 1) Tranches régulières 2) Reconstruction du modèle 3D UDPPC OCTOBRE

18 Principes des coupe en tomographie Tomographie et coupes Tomographie du grec tomos (tomos) «morceau coupé» Coupe 2D projections multiples o Nécessaire pour visualiser des objets complexes UDPPC OCTOBRE

19 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

20 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

21 AUTRES TECHNIQUES D IMAGERIE

22 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

23 Tomographie par émission de positons (TEP) Marqueur radioactif b + o Fluorodésoxyglucose ( 18 F) F 8O 1e 18 b 0 0 e Principe de la TEP puis e e 2 E =0,511 MeV et p 1 = - p 2 Tomographie par émission de positons mettant en évidence, dans le cerveau, le récepteur GABA/A Tomographie par émission de positons UDPPC OCTOBRE

24 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

25 Imagerie par Résonance Magnétique Caractéristique de l IRM o Imagerie fonctionnelle o Coût très élevé Imagerie IRM du système sanguin par produits de contraste Appareil d IRM UDPPC OCTOBRE

26 Caméra mono-photonique (SPECT) Tomographie d émission monophotonique o Injection d un radio-isotope et utilisation détecteur collimaté o Reconstruction d image Production en cyclotrons médicaux de différents isotopes o 99m Tc : scintigraphie osseuse, activité cérébrale o 123 I : scintigraphie thyroïdienne o 201 Tl ou 99m Tc : scintigraphie cardiaque Appareil d examen de SPECT 99m Tc 201 Tl 123 I Principe de la SPECT UDPPC OCTOBRE

27 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 OCT d une rétine Principe de l imagerie par fluorescence Image de fluorescence d un dent UDPPC OCTOBRE

28 La thérapie PARTIE 2 UDPPC OCTOBRE

29 LES CHIRURGIES RÉFRACTIVES DE L ŒIL UDPPC OCTOBRE

30 Chirurgies réfractives de l œil Modification 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 Œil 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 Intervention de la myopie de l œil au laser UDPPC OCTOBRE

31 THÉRAPIE ULTRASONORE

32 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)

33 LA CURIETHÉRAPIE

34 La curiethérapie Curiethérapie = Brachytherapy (hommage à Marie Curie) Implantation directe de la source radioactive dans la tumeur o 192 Ir et 137 Cs (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 Projecteur de sources UDPPC OCTOBRE

35 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

36 RADIOTHÉRAPIE CONVENTIONNELLE

37 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

38 La radiothérapie X moderne Evolutions : o Modulation de l intensité : IMRT o Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT = RapidArc) UDPPC OCTOBRE

39 HADRONTHÉRAPIE

40 UDPPC OCTOBRE

41 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 D D rayon x particule même effet D Biol = D Phys x EBR UDPPC OCTOBRE

42 Dose relative Un avantage par rapport à la radiothérapie X carbone (270 MeV/u) Profondeur dans l eau (mm) Comparaison de planification Protonthérapie (haut) IMRT(bas) UDPPC OCTOBRE

43 Hadronthérapie (ions carbone ou proton) Exemple de système de traitement par protons Schéma d un centre de hadronthérapie UDPPC OCTOBRE

44 Conclusion UDPPC OCTOBRE

45 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 Ingénieur biomédical (ex Polytech Lyon), radio-physicien, manipulateur radio, La physique reste une science Détecteur EOS o Applications = prétextes pour faire transmettre une culture physique du but de la physique (expliquer le monde) UDPPC OCTOBRE

46 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 C. Ray et J.-C. Poizat, La physique par les objets quotidiens : 2 ème édition augmentée, Belin, P. Radvanyi, Les Curie Pionniers de l atome, Belin, J.-M. Courty et E. Kierlik, La physique surprise, Belin, D. Le Bihan, Le cerveau de cristal, Odile Jacob, 2012.

47 Merci de votre attention UDPPC OCTOBRE

48 Publicité C. Ray et L. Salès, Consoles et jeux vidéo. Comment ça marche?, Belin Jeunesse, 2014.