Physique pour la médecine

...la théorie!

Médecine Nucléaire

Chapitre I: Marqueurs.

I.A. Principes de scintigraphie.

 

En médecine nucléaire, la scintigraphie consiste à injecter à un patient une substance marquée par un isotope radioactif et à en suivre, de l'extérieur, la progression dans l'organisme, la fixation dans les tissus et, le cas échéant, son évacuation plus ou moins rapide. Sa vocation de base est d'observer l'activité métabolique des différentes parties du corps, d'en vérifier le caractère normal ou d'en constater les aspects pathologiques, ceci afin d'apporter une aide au diagnostic ou de suivre les effets d'un traitement. Il s'agit donc avant tout d'une imagerie fonctionnelle, ce qu'il est important de souligner au vu du manque de résolution, a priori décevant, que présentent les images dans ce domaine. La recherche de hautes résolutions est plutôt l'apanage de l'imagerie morphologique, servie par ces remarquables techniques que sont l'IRM et la tomographie numérisée (On devrait en principe préciser "par rayons X" car, comme on le verra, l'imagerie fonctionnelle propose elle aussi une sorte de tomographie numérisée). Ceci étant dit les deux approches apparaissent de plus en plus complémentaires l'une de l'autre, la première pour détecter, par exemple, certaines pathologies, la seconde pour localiser précisément les régions malades. D'où la tendance actuelle à coupler physiquement deux machines, l'une de scintigraphie (gamma-caméra ou PET-scan) et l'autre de haute résolution spatiale (scanner ou IRM).

 

1)Marqueurs

 

Un marqueur est un isotope radioactif utilisé pour suivre à l'intérieur du corps humain l'évolution de la substance injectée, et cela en détectant à l'extérieur les particules émises par les noyaux qui se désintègrent. Etant donné que, pour être ainsi détectées à l'extérieur, ces particules doivent pouvoir au moins sortir du corps et donc traverser des épaisseurs de matière non négligeables, c'est en pratique de photons durs qu'il s'agit, soit de rayons gammas ou de rayons X de réarrangement. Des particules α ou β- ne possèdent jamais de parcours suffisant de ce point de vue. En pratique, les marqueurs utilisés en médecine nucléaire seront soit des émetteurs γ, soit des émetteurs β+, puisque le positron possède cette propriété remarquable de s'annihiler avec un électron, dont il est l'antiparticule, pour donner deux photons de 511keV émis symétriquement (voir par exemple le sujet radioprotection, §I.A.7). Les photons émis par des émetteurs γ sont repérés et mesurés classiquement par une… gamma-caméra (!), alors que les photons d'annihilation de positrons sont en principe associés à la technique du PET-scan (PET pour "Positron Emission Tomography", en français TEP). Il est intéressant de constater que le PET scan constitue après tout la première application de l'antimatière.

Lire la suite...

Médecine Nucléaire

Chapitre I: Marqueurs.

I.B. Production des isotopes.

 

1)Cyclotron

 

La première façon de produire des isotopes est d'envoyer des noyaux à énergie élevée vers d'autres noyaux cibles afin de provoquer une réaction nucléaire dont le résultat sera le radionucléide recherché. Les noyaux projectiles sont plutôt légers, proton ou hélium mais aussi carbone ou azote, alors que les noyaux cibles peuvent couvrir toute la gamme des masses, du plus léger au plus lourd. L'énergie élevée est obligatoire pour vaincre la barrière coulombienne (voir "Physique nucléaire", §II.B.2), ce qui suppose l'usage d'un machine accélératrice de particules. Il y a deux façons d'accélérer les particules, soit en utilisant des cavités résonantes, comme le font les accélérateurs d'électrons dans les hôpitaux, soit plus classiquement en les plongeant dans une différence de potentiel, donc dans un champ électrique, comme dans le tube à rayons X. Dans ce dernier cas, si on veut obtenir des énergies vraiment élevées il faut obligatoirement agir par étapes successives, chaque étape permettant d'accroître un peu plus la vitesse des projectiles. Cela peut mener à des machines de longueur impressionnante. Au début des années 1930, E.O.Lawrence a eu l'idée d'adjoindre un champ magnétique au champ électrique accélérateur, ceci dans le but d'incurver les trajectoires, et même de les refermer sur-elles-mêmes de façon à obtenir des machines compactes plutôt que tout en longueur. Ce fut la naissance du cyclotron, dont nous donnons ci-dessous le principe de base tout en précisant que les cyclotrons actuels proposent par rapport à cela des améliorations et des variantes plus ou moins sophistiquées. (N.B.: On trouvera une approche plus complète et plus pointue du cyclotron dans le sujet "radiothérapie", Ch.III.C)

 

a.Description

 

Au départ il faut imaginer une boîte métallique ronde et plate qu'on aurait coupée selon un diamètre pour ensuite en écarter légèrement l'une de l'autre les deux moitiés. La forme de ces deux parties est une demi-lune mais évoque aussi la lettre D, ce pourquoi on les appelle les dés. Les dés sont plongés dans le vide, comme tout appareil où doivent évoluer librement des particules, qu'il s'agisse d'un tube à rayons X ou d'un ancien tube TV. Ils se voient aussi imposé un puissant champ magnétique généré par des aimants situés de part et d'autre, qui consistent soit en des aimants permanents soit en des électro-aimants supraconducteurs, et qui font d'un cyclotron une machine pesante! Au centre du système se trouve la source d'ions, c'est-à-dire un dispositif où on amène un gaz qui, grâce à un champ oscillant à la fréquence appropriée, voit ses molécules décomposées en ions soit positifs soit négatifs. Par exemple, pour obtenir un faisceau de protons, on injectera un gaz d'hydrogène dont les molécules H2 seront brisées en protons nus H+ ou en ions H-, le proton gardant pour lui les deux électrons initiaux de liaison.

Les dés sont disposés horizontalement. Dans la figure ci-dessous ils sont vus du haut, la champ magnétique pointe dans l'écran et les ions produits par la source sont censés être des ions H-. Une différence de potentiel générant un champ électrique E et appliquée sur les dés les attire et les accélère une première fois vers le dé positif, et lorsqu'ils pénètrent à l'intérieur de celui-ci le champ magnétique B incurve leur trajectoire, laquelle prend la forme d'un demi-cercle. Pendant ce temps ils ne ressentent plus l'action du champ électrique, étant donné que les dés forment une cage de Faraday.

 

MedNuc IB 1 

 

Lire la suite...