Sommaire

• Introduction
• L'imagerie médicale du XIX^e siècle à aujourd'hui
  • L’histoire des Rayons X
  • Le principe de l'imagerie médicale
  • Quelques exemples d'imagerie médicale
• Les composantes de la TEP-TDM
  • Le Sanner
  • L'examen de la scintigraphie
• La Tomographie par Emission de Positons-Tomodensitométrie
  • Description
  • Principe physique et radioactivité de la TEP-TDM
  • Radiopharmaceutique utilisé
  • Les différentes applications de la TEP-TDM
  • Le déroulement d'un examen
  • Les avantages et les limites du TEP-TDM
• Conclusion
• Sources documentaires
• Remerciements
• Synthèses Personnelles
  • Axelle PAROT
  • Séverine MILON
  • Rémy BORDAT

L'imagerie médicale du XIX^e siècle à aujourd'hui

L’histoire des Rayons X

Préhistoire de l'imagerie médicale

En 1838, le chimiste et physicien britannique Faraday s’intéresse aux décharges électriques dans les gaz raréfiés grâce au dispositif suivant: une anode et une cathode placées en vis-à-vis dans un tube en verre. La cathode, mise sous tension, déclenche une étincelle entre les deux électrodes. Si on diminue la pression du gaz dans l’ampoule, on constate que l’apparence de l’étincelle se change en un rayon violet. Faraday pense alors avoir découvert un quatrième état de la matière qu’il nomme «matière radiante». Cette expérience fut reprise tout au long du dix-neuvième siècle en changeant de nombreux paramètres (nature du gaz, forme du tube, pression dans l’ampoule...) mais la nature du phénomène observé restait incomprise.

En 1869 le physicien allemand Plücker observe que lorsque le vide est poussé il y a moins de molécules de gaz donc les électrons peuvent alors voyager sans entrer en collision avec les molécules. Lorsque le tube est sombre les électrons peuvent faire des allés-retours en ligne droite de l’anode à la cathode sans problème. Ils acquièrent alors une très grande vitesse ce qui fait que les électrons dépassent l’anode et percutent le verre. C’est en percutant ce verre qu’ils créent cette fluorescence jaune-verte. En effet, ils excitent les atomes du verre.

Johann Hittorf compris, en 1869, qu’il y avait quelque chose devait se propager en ligne droite depuis la cathode, et en 1876, Goldstein prouva que ce quelque chose provenait bien de la cathode donc il lui donna le nom de «rayon cathodique».

Par la suite, le chimiste et physicien Crookes perfectionnera encore le dispositif en créant les tubes qui portent son nom. Au sein d’un tube de Crookes (pression comprise entre 1 et 100 Pa) la cathode est creuse pour concentrer le rayonnement. Grâce à ces tubes le physicien anglais Thomson élucidera la nature du rayonnement cathodique en découvrant l’électron* en 1897 et l’allemand Roentgen découvrira les rayons X.

La découverte des Rayons X

En 1895, le physicien allemand Wilhelm Roentgen alors âgé de 50 ans étudie le rayonnement cathodique avec des tubes de Crookes. Il s’intéresse plus précisément à la pénétration des rayons dans le verre. Il a déjà été constaté à l’époque que les rayons cathodiques peuvent franchir la paroi du tube et la traverser de façon à pénétrer l'air sur quelques centimètres.

Dans la soirée du 8 novembre, au cours de ses travaux préliminaires Roentgen constate qu’un écran recouvert d’une couche de platinocyanure de baryum placé par hasard en face du tube devient fluorescent lors de la décharge. Or il sait qu’à cette distance, la fluorescence ne peut pas être due aux rayons cathodiques. Il éloigne encore l’écran et intercale des objets entre l’ampoule et l’écran. La fluorescence persiste toujours : il en conclut qu’il vient de découvrir un rayonnement distinct de celui émis par la cathode, très pénétrant puisqu’il est capable de traverser la matière. Ces rayons étant inconnus jusqu’alors, Roentgen les nommes «X» du nom de l’inconnue en mathématiques. Il tire quatre conclusions dans son article :

• Ils ne sont presque pas absorbés par la matière. Mais une fine couche de plomb suffit à stopper le rayonnement produit par les rayons X.

• Ils sont diffusés par la matière. C'est l’origine du rayonnement de fluorescence.
• Ils impressionnent une plaque photographique.
• Ils déchargent les corps chargés électriquement.

Roentgen décrit la première image radiographique. Il réalise également le premier cliché radiographique le 22 décembre 1895 en intercalant la main de son épouse entre le tube de Crookes et une plaque photographique. En effet, nous pouvons voir les os qui apparaissent noirs car cette matière ne laisse pas impressionner la plaque photographique. Seuls les tissus mous sont traversés par les rayons sans aucune difficulté.

La découverte de la radioactivité

La radioactivité fut découverte en 1896 par Henri Becquerel, qui travaillait sur le rayonnement X. Il cherchait à savoir si les corps fluorescents émettaient un rayonnement capable d'impressionner une plaque photographique à travers un papier noir. Il fit ses expériences avec du sel d'uranium qu'il exposa au soleil pour le rendre fluorescent; mais un jour, par manque de soleil, il laissa par hasard au voisinage une plaque photographique, des composés d'uranium. Il constata quatre jours plus tard que la plaque était impressionnée. Il supposa donc après diverses expériences, qu'il s'agissait d'une propriété spécifique de l'uranium; c'était donc une propriété atomique. Il admit que l'uranium émettait des rayonnements particuliers et les appela rayons uraniques. Le rayonnement qu’il produit est un rayonnement alpha (α).

Dès lors s’ouvraient deux nouvelles voies de recherche : le rayonnement X émis par le tube de Crookes et les rayons uraniques. Les expériences de Becquerel restaient qualitatives, Marie Curie (Sklodowska) quant à elle entreprit des mesures quantitatives en se référant à l'ionisation que produisent dans l'air ces rayonnements. Dès 1898, avec son mari Pierre, elle annonçait la présence d'un nouvel élément, le polonium (Z=84), puis ensuite, avec Bemont, l'existence du radium. C'est alors qu'elle proposa le nom de radioactivité au phénomène découvert par Becquerel.

De nombreuses expériences furent entreprises pour découvrir les lois de cette radioactivité; on caractérisa très vite les rayonnements alpha (Rutherford en 1889), beta- et gamma. Mais il fallut attendre 1934 pour qu'Irène et Fréderic Joliot-Curie mettent en évidence la radioactivité artificielle (le phosphore ₁₅³⁰P) et un nouveau mode de désintégration, l'émission beta+. En 1936, Fermi développa la théorie du neutrino, particule dont l'existence avait été postulée par Pauli dès 1931. Cette théorie ouvrira la voie de la découverte de la fission nucléaire.

Utilisations des Rayons X

Les rayons X suscitent immédiatement un vif intérêt au sein du public : L’usage des rayons X pour réaliser des images médicales se répand dans le monde entier dès 1896. Le corps médical saisit très vite l’intérêt offert par cette technique d’imagerie. Lors d'une radiographie la qualité du cliché ne permet pas le diagnostic, mais les perspectives ouvertes sont importantes. En effet en 1897, la France se dote du premier laboratoire de radiologie grâce au docteur Béclère qui démontre aussi l'utilité des Rayons X, en particulier pour l'examen des poumons, des os, pour l’identification et la localisation des corps étrangers. Marie Curie met sur pied le premier service important d'imagerie médicale en France.

Mais les premiers manipulateurs opèrent sans protection, ils sont donc constamment soumis au bombardement des rayons X. Le premier effet du rayonnement est la radiodermite. Le corps médical prend alors conscience de la nocivité des rayons X sur les tissus humains. C’est la naissance de la radioprotection.

Le principe de l'imagerie médicale

L’imagerie médicale est un moyen d’acquisition et de restitution d’image d’un corps humain à l’aide de différentes techniques physiques et informatiques. Cette problématique s'inscrit plus globalement dans le cadre de l'image scientifique et technique : l'objectif est de pouvoir représenter sous un format relativement simple une grande quantité d'informations issues d'une multitude de mesures acquises selon un mode bien défini. L'image obtenue peut être traitée informatiquement pour obtenir par exemple :

• Une reconstruction tridimensionnelle d'un organe ou d'un tissu (scanner).
• Un film ou une animation montrant l'évolution ou les mouvements d'un organe au cours du temps (échographie).
• Une imagerie quantitative qui représente les valeurs mesurées pour certains paramètres biologiques dans un volume donné (scintigraphie).

L’imagerie médicale rassemble toutes les techniques utilisées par la médecine pour le diagnostic mais aussi pour le traitement d’un grand nombre de pathologies. Les techniques de l’imagerie médicale ne donnent pas une simple photographie du corps humain mais une représentation visuelle intelligible d’une information à caractère médicale. L’imagerie médicale a donc révolutionné la médecine en apportant un résultat immédiat et fiable au diagnostic clinique alors qu'avant ces informations étaient invisibles.

Quelques exemples d'imagerie médicale

La découverte des rayons X par Roentgen en 1895 a trouvé immédiatement son application médicale. Cependant, le concept d’imagerie médicale ne s’est développé que lorsque les moyens de “voir à travers le corps humain” se sont multipliés. Avec l’avènement du scanner dans les années 70 et de l’IRM dans les années 80, on découvrait l’existence d’images d’emblée numériques c’est-à-dire entièrement calculées à partir de signaux complexes. L’ensemble de ces évolutions amène à donner une définition très vaste de l’imagerie médicale dans laquelle l’image correspond à une mesure physique localisée d’une grandeur quelconque d’intérêt médical. Il existe plusieurs types d’imageries médicales que nous ne détaillerons pas comme :

• L'imagerie par résonance magnétique (IRM)
• L'imagerie par ultrasons (échographie)

Nous nous appuierons plus sur deux phénomènes médicaux très importants utilisés par la tomographie par émission de positons-tomodensitométrie :

• L’imagerie par rayons X a été la première méthode proposée et longtemps la seule. La radiographie conventionnelle consistait à projeter tout un volume sur un plan représenté par le film radiographique. Le scanner X consiste à acquérir des projections multiples d’une coupe qui sera reconstruite par calcul à partir de ces projections (Exemples: radiographie, mammographie, angiographie, artériographie).
• L'imagerie par Rayon Gamma a été découverte en 1896. L'imagerie nucléaire concerne l'application de la radioactivité artificielle par l'utilisation de sources radioactives. Les corps radioactifs peuvent êtres manipulés, dosés et administrés sous certaines conditions car leur manipulation exige le respect de contraintes liées au risque de contamination. La médecine nucléaire permet d'explorer l'aspect fonctionnel des organes et non l'aspect anatomique (comme la radiographie/ le scanner). Le plus souvent le produit radioactif est administré au patient par une injection intraveineuse. Il est ainsi fixé dans l'organisme selon la nature de la molécule marquée (par exemple l'iode 123 se fixe dans la thyroïde). Cette substance radioactive émet un rayonnement gamma. A l'aide d’une gamma caméra, la répartition de la radioactivité dans l'organisme est résumée et visualisée sous forme d'une image scintigraphique.