Biophysique des Rayonnements Ionisation et Imagerie Médicale 2024/2025 (PDF)

Module : Biophysique Session d’enseignement : 1ère semestre Année universitaire : 2024 / 2025 1ère année Médecine Pr. Essendoubi Mohammed  Biophysique Introduction et définition : La Biophysique est un module pluridisciplinaire qui se situe à l’inter...

Module : Biophysique Session d’enseignement : 1ère semestre Année universitaire : 2024 / 2025 1ère année Médecine Pr. Essendoubi Mohammed  Biophysique Introduction et définition : La Biophysique est un module pluridisciplinaire qui se situe à l’interface de la Physique, la Biologie et la Physiologie et qui permet d’étudier les phénomènes et le fonctionnement du corps humain (êtres vivants) à travers des théories et des modèles Physique. Objectifs du module : L’objectif de ce module est de donner aux étudiants en médecine les éléments nécessaires pour être cabale de justifier toutes les décisions diagnostiques et thérapeutiques avec des arguments solides ce qui est désormais la base de toute bonne éducation médicale.  Module : Biophysique Programme et enseignant intervenant Le module de Biophysique comprend 5 chapitres : 1. Biophysique des Rayonnements ionisants 2. Radiobiologie, Radioprotection, Imagerie médicale (Radiologie, Imagerie scintigraphique) 3. Rayonnements non-ionisants Les lasers médicaux 4. Biophysique sensorielle 5. Biophysique du milieu intérieur  Module P1-I- 1 : Physique-Biophysique Programme et enseignant intervenant Biophysique des Rayonnements ionisants  Structure du noyau et radioactivité  Effets biologiques des rayonnements ionisants  Interactions entre les rayonnements ionisants et la matière  Radioprotection dans l’utilisation des rayonnements ionisants  Détections des Rayonnements ionisants  Imagerie médicale (Radiologie)  Radiothérapie, Curiethérapie et Imagerie scintigraphique  Biophysique des Rayonnements ionisants Introduction aux rayonnements ionisants et leurs applications médicales 1.1) Place des techniques médicales utilisant les rayonnements ionisants dans la démarche médicale 1.2) Les rayonnements utilisés en médecine 1.2.1) Les ondes électromagnétiques (oem) ou photons 1.2.2) Les rayonnements ionisants 1.3) Définition des techniques utilisant les rayonnements ionisants 1.4) La radiobiologie et la radioprotection  La démarche médicale Les examens complémentaires ‘Biologie’ (analyse sanguine, d’urine, de Patient Le diagnostic prélèvements…) Explorations fonctionnelles Signes ‘fonctionnels’ (mesure de débits, enregistrement Diagnostic (Qu’est-ce qui ne va pas ?) électrophysiologique…) (nom de la maladie, localisation, germe…) Imagerie médicale Signes cliniques (avec les cinq sens et quelques Radiologie instruments simples) Traitement (Radiothérapie) Médecine Nucléaire (médical, chirurgical, par des méthodes (Réalisation de scintigraphies) physiques, psychologique…) Examens complémentaires (complémentaire à l’examen clinique)  Biophysique des Rayonnements ionisants Introduction aux rayonnements ionisants et leurs applications médicales 1.1) Place des techniques médicales utilisant les rayonnements ionisants 1.2) Les rayonnements utilisés en médecine 1.2.1) Les ondes électromagnétiques (oem) ou photons 1.2.2) Les rayonnements ionisants 1.3) Définition des techniques utilisant les rayonnements ionisants 1.4) La radiobiologie et la radioprotection  Les ondes électromagnétiques (oem) ou photons Les deux aspects des oem:  Aspect ondulatoire : Onde électro-magnétique (champ électrique et magnétique oscillant et se propageant) ν = fréquence de l’oem (nu) λ = longueur d’onde de l’oem (lambda)  Aspect corpusculaire : Grain d’énergie (flux de Photon) E = énergie du photon Relation numérique entre les deux aspects : h = constante de Planck (6,62 X 10- 34 J.s) Exemples d’oem: - Rayonnement infrarouge (peu énergétique) c = célérité de la lumière ( 3 X 108 m.s-1 ) - Rayons X (très énergétique) E=hν=hc/λ  Définition de l’électron-volt: eV = Unité d’énergie utilisée à l’échelle atomique = énergie cinétique acquise par un électron se déplaçant entre deux points entre lesquels règne une ddp de 1V 1 eV = 1,6 10-19 J L'énergie d'un rayonnement ionisant X se mesure en électronvolts (eV). Un électronvolt est une quantité d'énergie extrêmement faible. Les multiples couramment utilisés sont le kiloélectronvolt (keV) et le mégaélectronvolt (MeV). Le spectre des oem: Exemples : - Radiographie pulmonaire : Rayons X de 100 keV - Radiothérapie d’un cancer : Rayons X ou γ de 1 à quelques MeV Les rayons X et γ sont des oem/photons de haute énergie : On parle de rayons X quand les rayonnements sont émis lors d’un processus électronique (atomique) On parle de rayons γ quand les rayonnements sont émis lors d’un processus nucléaire (radioactivité)  Biophysique des Rayonnements ionisants Introduction aux rayonnements ionisants et leurs applications médicales 1.1) Place des techniques médicales utilisant les rayonnements ionisants 1.2) Les rayonnements utilisés en médecine 1.2.1) Les ondes électromagnétiques (oem) ou photons 1.2.2) Les rayonnements ionisants 1.3) Définition des techniques utilisant les rayonnements ionisants 1.4) La radiobiologie et la radioprotection  Les rayonnements ionisants Définition : Rayonnements qui produisent un grand nombre d’ionisations dans la matière organique. La lumière visible qui peut provoquer quelques ionisations sur certaines substances ne fait pas partie des rayonnements ionisants Ils ont des effets biologiques importants Les rayons X et γ sont des rayonnements ionisants car ils ont des énergies élevées Electron : Charge : - 1,602 X 10-19 C Masse: 0,000548 uma Proton: Charge : 1,602 X 10-19 C Masse: 1,00759 uma Neutron: Masse: 1,00898 uma 1uma=1,66 X10-27 kg  Biophysique des Rayonnements ionisants Introduction aux rayonnements ionisants et leurs applications médicales 1.1) Place des techniques médicales utilisant les rayonnements ionisants 1.2) Les rayonnements utilisés en médecine 1.2.1) Les ondes électromagnétiques (oem) ou photons 1.2.2) Les rayonnements ionisants 1.3) Définition des techniques utilisant les rayonnements ionisants 1.4) La radiobiologie et la radioprotection  Les techniques utilisant les rayonnements ionisants La radiologie Les techniques d’imagerie médicale Méthode d’imagerie, donc diagnostique La radiologie Utilise les rayons X Basée sur l’absorption plus ou moins importante des rayons X à La médecine Nucléaire travers le corps selon la densité et la composition chimique des tissus Les méthodes thérapeutiques (radiothérapie) La radiothérapie externe La radiothérapie interne  Les techniques utilisant les rayonnements ionisants La Médecine Nucléaire (réalisation de scintigraphies) Méthode d’imagerie, donc diagnostique Utilise les rayons γ Basée sur l ’émission plus ou moins importante de rayons γ par les différents tissus après administration d’un traceur radioactif métabolisé par le corps Remarque : Le traceur radioactif à le statut légal de médicament Il est fabriqué par un Radiopharmacien. Principe de la réalisation des scintigraphies La radiothérapie externe Méthode thérapeutique Utilise les rayons X (ou γ) et électrons (ou autres particules) Basée sur la destruction des tissus (cancéreux) par des rayonnements ; la source de rayonnement étant placée à l’extérieur du patient La radiothérapie interne Méthode thérapeutique Utilise les rayons γ et électrons (ou autres particules) Basée sur la destruction des tissus (cancéreux) par des rayonnements ; la source de rayonnement étant métabolisée par les tissus du patient  Biophysique des Rayonnements ionisants Introduction aux rayonnements ionisants et leurs applications médicales 1.1) Place des techniques médicales utilisant les rayonnements ionisants 1.2) Les rayonnements utilisés en médecine 1.2.1) Les ondes électromagnétiques (oem) ou photons 1.2.2) Les rayonnements ionisants 1.3) Définition des techniques utilisant les rayonnements ionisants 1.4) La radiobiologie et la radioprotection  La radiobiologie et la radioprotection La radiobiologie: Etude des effets des rayonnements ionisants sur les organismes vivants La radioprotection: Règles de protection contre les rayonnements ionisants concernant : – Le public – Les travailleurs – Les patients Les Rayons X Biophysique des Rayonnements ionisants Les rayons X 1.1) Principe général de la production des rayons X 1.2) Le tube de Coolidge 1.3) Le spectre de rayons X 1.3.1) Les spectres continu et de raies 1.3.2) Le filtre 1.4) Le rendement du tube et l’échauffement 1.5) Les accélérateurs de particules Mécanisme de production des R X La désexcitation radiative Quand une particule chargée passe à proximité du noyau d’un atome de la cible, elle est attirée ou repoussée par le noyau selon sa charge. La trajectoire de la particule est déviée  Perte d’une partie de son énergie cinétique  émise sous la forme d’un rayonnement électromagnétique dit: Rayonnement de freinage Biophysique des Rayonnements ionisants Les rayons X 1.1) Principe général de la production des rayons X 1.2) Le tube de Coolidge 1.3) Le spectre de rayons X 1.3.1) Les spectres continu et de raies 1.3.2) Le filtre 1.4) Le rendement du tube et l’échauffement 1.5) Les accélérateurs de particules  2. Les électrons extraits sont ensuite accélérés par une 1. Les électrons sont produits à partir du filament tension électrique de quelques dizaines de Kilovolts (= (cathode) porté à haute température par un courant I forte tension) qui est maintenu entre la cathode et (=courant de chauffage de quelques Ampères). Les l’anode (la cible) électrons sont arrachés au métal grâce au chauffage (effet thermoélectronique). Les électrons orbitaux les 3. Le flux d’électrons accélérés frappe la cible et excite plus éloignés du noyau. certains atomes de la cible qui freine brutalement le flux, en créant un rayonnement de freinage (rayon X) On appelle parfois ce phénomène, Bremsstrahlung. Le rayonnement créer n’est qu’a 1% des rayons X, le reste n’est que des l’énergie thermique.  La charge du tube le temps de pose (durée d'application du courant en s)  directement liée au nombre de photons produits Biophysique des Rayonnements ionisants Les rayons X 1.1) Principe général de la production des rayons X 1.2) Le tube de Coolidge 1.3) Le spectre de rayons X 1.3.1) Les spectres continu et de raies 1.3.2) Le filtre 1.4) Le rendement du tube et l’échauffement 1.5) Les accélérateurs de particules Son origine rayonnement de freinage Biophysique des Rayonnements ionisants Les rayons X 1.1) Principe général de la production des rayons X 1.2) Le tube de Coolidge 1.3) Le spectre de rayons X 1.3.1) Les spectres continu et de raies 1.3.2) Le filtre 1.4) Le rendement du tube et l’échauffement 1.5) Les accélérateurs de particules  Sans filtre avec filtre Biophysique des Rayonnements ionisants Les rayons X 1.1) Principe général de la production des rayons X 1.2) Le tube de Coolidge 1.3) Le spectre de rayons X 1.3.1) Les spectres continu et de raies 1.3.2) Le filtre 1.4) Le rendement du tube et l’échauffement 1.5) Les accélérateurs de particules Biophysique des Rayonnements ionisants Les rayons X 1.1) Principe général de la production des rayons X 1.2) Le tube de Coolidge 1.3) Le spectre de rayons X 1.3.1) Les spectres continu et de raies 1.3.2) Le filtre 1.4) Le rendement du tube et l’échauffement 1.5) Les accélérateurs de particules Interaction entre les rayonnements ionisants et la matière  Biophysique des Rayonnements ionisants Interaction entre les rayonnements ionisants et la matière L'interaction entre un rayonnement et la matière se traduit par un transfert d’énergie. Une interaction est nécessaire pour détecter un rayonnement (important pour l’imagerie diagnostique) L’interaction rayonnement matière est la première étape de l’action biologique des rayonnements  L’interaction avec des particules chargées  L’interaction avec les neutrons  L’interaction avec les photons Exprimé en cm-1  L'épaisseur que doit avoir l’écran pour que le nombre des photons transmis soit la moitié des photons incidents CDA = Ln2 / = 0,693 /  Biophysique des Rayonnements ionisants Interaction entre les rayonnements ionisants et la matière L’interaction des photons avec la matière Aspects quantitatif de l’atténuation Les principaux phénomènes d’atténuation L’effet Photoélectrique L’effet Compton La production de paire ou matérialisation L’effet Photoélectrique Cette effet résulte du transfert de la totalité de l’énergie du photon incident sur un électron de l’atome cible  Ejection de l’e- du cortège électronique avec une certaine énergie cinétique. = Photo-électron Nécessite une énergie du photon > à l’énergie de liaison de l’électron  Photon de fluorescence Deux phénomènes compétitives Effet Auger  Biophysique des Rayonnements ionisants Interaction entre les rayonnements ionisants et la matière L’interaction des photons avec la matière 1.1) Les concepts de base 1.2) Aspects quantitatif de l’atténuation 1.3) Les principaux phénomènes d’atténuation 1.3.1) L’effet Photoélectrique 1.3.2) L’effet Compton 1.3.3) La production de paire ou matérialisation 1.4) Conséquences de ces processus sur les techniques médicales Résulte de l’interaction d’un photon d’énergie E avec un e- libre ou faiblement lié à la matière Collision qui produit un électron de Compton et un photon de recul photon de recul électron de Compton  Biophysique des Rayonnements ionisants Interaction entre les rayonnements ionisants et la matière L’interaction des photons avec la matière 1.1) Les concepts de base 1.2) Aspects quantitatif de l’atténuation 1.3) Les principaux phénomènes d’atténuation 1.3.1) L’effet Photoélectrique 1.3.2) L’effet Compton 1.3.3) La production de paire ou matérialisation 1.4) Conséquences de ces processus sur les techniques médicales La production de paire ou matérialisation Ce processus se produit pour des photons très énergétique passant à coté d’un noyau ils vont se transformer à un e- et e+  PP EPE EC  Biophysique des Rayonnements ionisants Interaction entre les rayonnements ionisants et la matière L’interaction des photons avec la matière 1.1) Les concepts de base 1.2) Aspects quantitatif de l’atténuation 1.3) Les principaux phénomènes d’atténuation 1.3.1) L’effet Photoélectrique 1.3.2) L’effet Compton 1.3.3) La production de paire ou matérialisation 1.4) Conséquences de ces processus sur les techniques médicales  PP EPE EC Les détecteurs  Biophysique des Rayonnements ionisants La détection des rayonnements Les détecteurs fournissant des images (Radiologie)  Le film radiographique  L’amplificateur de brillance  Les plaques photostimulables  Les écrans plans numériques Imagerie numérique  Les grands domaines de l’imagerie IRM L’imagerie par résonance magnétique L’imagerie échographique L’imagerie endoscopique L’imagerie scintigraphique L’imagerie Radiologique  Imagerie Médicale L’atténuation des photons (X) par des structures et de compositions atomique et de densités différentes La radiologie conventionnelle TDM Répartition spatiale et temporelle des molécules marquées introduites à l’état de traces dans les différents systèmes de l’organismes Scintigraphie Tomoscintigraphie  Imagerie Médicale La réflexions des ultrasons sur les interfaces créées par les différences d’impédance acoustique. L’échographie (repose sur la localisation d’interface)  L’imagerie échographique Les ultrasons (U.S) (transducteur par effet piézo-électrique = transformation d’une onde électrique en vibration mécanique ) (au delà de 20 000 Hz) et les fréquences en échographie médicale de 1 à 10 MHz Utilisation médicale diagnostique et thérapeutique  Développement rapide  Caractère non agressif  Non invasif  Cout raisonnable  Bonne qualité de résultats dans de nombreuses disciplines médicales : la cardiologie, la gynécologie, pédiatrie….. Les US: des vibrations mécaniques qui se propagent dans un milieu matériel (Fréquence (T), amplitude, phase et une célérité) La vitesse de propagation dépend du milieu et de ses propriété élastiques et la densité des molécules (air : 300 m/s tissus mou: 1560 m/s l’os: 4000 m/s) L’énergie transporté par unité de temps et par unité de section exprimé en décibels (Db) La diminution de l’énergie se fait en profondeur (linéaire) dépend de la fréquence (on adapte la fréquences de US à la profondeur ) L’interaction US / Milieu  entraine la modification de l’énergie incidente qui est absorbé, transmise et réfléchie. On donne le nom de l’écho à la fraction réfléchie. L’impédance acoustique (Z) caractérise la manière dont un milieu transmet une onde.  Milieu compressible (air) Z faible  Milieu peu compressible Z élevé On appelle interface la frontière entre 2 milieux 1 et 2 d’impédances différents. Coefficient de réflexion: R = (Z1 – Z2)2/(Z1 + Z2)2 Plus la différence est importante plus la portion réfléchie est importante: Foie/muscle 0,0002 Os/muscle 0,243 Ceci explique la difficulté d’explorer les organes derrière les structures osseuses par exemple.  A nécessité de supprimer l’interface air peau par un adaptateur d’impédance substance de contact Gel Donc l’échographie médicale repose sur la localisation d’interfaces  La production et le recueil des écho lors d’une imagerie échographique est assuré par une sonde  Transducteur par effet piézo-électrique = transformation d’une onde électrique en vibration mécanique (émission des US).  Inversement recueil des échos et transformation en signal électrique.  L’émission des US est pulsée et se fait de façon perpendiculaire (surface d’exploration).  Le temps de pulse est choisit de telle façon à ce que une impulsion puisse parcourir toute la profondeur de l’exploration sans risque d’interférence.  Les différents modes d’imagerie ultrasonique  L’échographie A monodimensionnelle (axe)  L’échographie B bidimensionnelle (l’opérateur balaie un plan la sommation de tous les points réalise une image en coupe bidimensionnelle statique)  L’échographie bidimensionnelle en temps réel l’operateur cherche le bon plan de coupe. Les informations échographiques sont enregistrées en mémoire et un système de lecture permet de voire les structure en mouvement (une image instantanée à un instant peu être gelée et photographiée)  L’échographie temps-mouvement étudie les mouvement des interfaces mobiles en enregistrant le déplacement des échos  Imagerie Médicale La réflexions des ultrasons sur les interfaces créées par les différences d’impédance acoustique. L’échographie (repose sur la localisation d’interface) L’évaluation des temps de relaxations de noyaux atomiques orientés dans un champ magnétique et mis en résonance par un rayonnement électromagnétique approprié IRM L’imagerie par résonance magnétique La visualisation directe d’organe creux par conduction des rayons lumineux par fibres optiques L’imagerie endoscopique