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Comment fonctionne la technologie d’imagerie médicale ?

Par Clément le 03/12/2018 Ressources > Physique-Chimie > Cours de Physique > 2nde > Étude de l’Imagerie Médicale

Définition

On peut définir l’imagerie médicale comme l’utilisation de plusieurs phénomènes physiques afin de procéder à des analyses, de acquisition et de la restitution d’images du corps humain. Ces techniques d’imagerie sont apparues dès le XXème siècle. Elles ont ensuite subit de grosses avancées avec l’avènement de l’informatique qui permet d’agréger rapidement un nombre énorme de données.

Fonctionnement

L’imagerie médicale est là pour créer une vue facilement exploitable pour révéler des informations médicales sur le patient. Grâce à l’aide de l’outil informatique, on peut de nos jours obtenir des images en trois dimensions de tissus ou d’organes. On peut aussi créer des animations pour voire l’évolution d’une maladie au cours du temps ou les effets d’un traitement.

La DICOM

Il existe une norme qui régit l’acquisition des images à caractère médicale. Cette norme est la Digital Imaging and Communication in Medecine, abrégée en DICOM. Elle fut créée en 1985 par l’American College of Radiology afin de créer un standard de format de données entre les appareils de radiologie. Cela a permis de faciliter les échanges de données, surtout dans le cas de maladies graves ou chroniques qui obligent souvent les patients à se rendre dans différents établissements. Les fichiers d’imagerie au format défini par la DICOM permet donc une lecture facilitée sur tous les logiciels hospitaliers.

Pour finir, cela permet également une grosse économie de papier argentique puisque l’impression des radiographie n’est plus nécessaire, le patient pouvant accéder à ses données sur Internet, tout comme les praticiens.

Voici un tableau qui récapitule les 18 standards sur lesquels reposent la norme DICOM :

NuméroIntitulé
1Introduction and Overview
2Conformance
3Information Object Definitions
4Service Class Specifications
5Data Structures and Encoding
6Data Dictionary
7Message Exchange
8Network Communication Support for Message Exchange
10Media Storage and File Format for Data Interchange
11Media Storage Application Profiles
12Media Formats and Physical Media for Data Interchange
14Grayscale Standard Display Function
15Security Profiles
16Content Mapping Resource
17Explanatory Information
18Web Access to DICOM Persistent Objects (WADO)
19Application Hosting
20Transformation of DICOM to and from HL7 Standard

Des ondes à l’imagerie médicale

La radiographie médicale suit un concept imaginé depuis le dixième siècle. Cependant, la radiographie utilise la radioactivité et peut donc se révéler dangereuse en cas d’exposition trop prolongée.

La première radiographie a été réalisée en 1895 par Wilhelm Röntgen, un physicien allemand, lorsqu’il découvrit fortuitement les rayons X. Il réalise cet essai en déchargeant du courant dans un tube à vide au sein d’une simple boîte en carton ! Après avoir renouvelé le test avec plusieurs matériaux variés comme du plastique, du papier, du verre ou encore du bois, il y place sa main. Il remarque alors que les os apparaissent plus foncés que le reste de la main. Cette découverte lui valu le prix Nobel de Physique de 1901 mais aussi l’attribution en 1994 du nom d’un atome, le roentgenium.
De nos jours, les rayons X sont encore couramment utilisés  en radiographie. Pour cela, on effectue une injection de produit dit de contraste au patient. Les rayons X permettent plusieurs types d’analyses radiographiques telles que :

  • La tomodensitométrie X qui fournissent des coupes millimétriques du corps ;
  • La radiographie afin d’effectuer des vues des os du corps humain ;
  • La tomosynthèse qui est une tomodensitométrie plus simple qui expose le patient à moins de radiations ;
  • Le cône beam ou imagerie volumétrique par faisceau conique qui est une image beaucoup plus précise qui met en relief les éléments minéralisés comme les os, les cartilages ou encore les dents. C’est un examen très pratiqué avant d’effectuer des soins dentaires du type pose d’implant ;
  • L’absorption biphotonique à rayons X, aussi appelée ostéodensitométrie qui permet de mesurer la densité des os.

Wilhelm Conrad Röntgen

Wilhelm Conrad Röntgen est un physicien originaire d’Allemagne et ayant vécu entre 1845 et 1923. Il est notamment connu pour avoir découvert les rayons X. Cette découverte lui valut également de recevoir le premier prix Nobel de l’histoire en 1901, celui de physique.

L’échographie ultrasonore est apparue en 1955, grâce à la technologie du sonar, développé par les marins dès 1915.

En 1973, le chimiste américain Paul Lauterbur obtient le premier cliché d’imagerie pas résonance magnétique (IRM) en utilisant un champ magnétique (issu d’un aimant) et des ondes radio.

La découverte de la radioactivité artificielle, en 1934, a permis le développement de la médecine nucléaire, comme la scintigraphie, qui analyse les rayons gamma émis par des éléments radioactifs introduits dans le corps humain. On injecte pour cela un traceur radioactif au patient. Ce sont des molécules marquées spécialement pour se fixer sur certaines cellules de certains organes du corps humain.

L’imagerie médicale utilise deux types d’ondes : les ondes électromagnétiques, qui peuvent se propager dans le vide, et les ondes sonores, qui ont besoin d’un milieu matériel pour se propager.

Les ondes et leur domaine de fréquences

L’oreille humaine ne perçoit les sons que dans certaines plage de fréquences, qui, selon les individus et leur âge, se situe entre 20 Hz et 20 kHz. Au delà de 20 Hz, ce sont les ultrasons. Les sons de fréquences inférieures à 20 Hz sont appelés infrasons.

Les ondes électromagnétiques s’étendent sur une très large gamme de fréquences. La lumière visible n’y occupe qu’une bande très étroite, de 4 x 1014 à 8 x 1014 Hz. Dans les fréquences supérieures, on trouve notamment les ultraviolets et rayons X. Les ondes radio ou les infrarouges sont des ondes de plus en plus faibles fréquences que la lumière visible.

La lumière visible ne représente qu’une toute petite partie du spectre de la lumière. En effet, au-delà on retrouve les ultraviolet et les rayons X qui servent justement à effectuer des analyses de radiographie en imagerie médicale.

Vitesses de propagation des ondes

Les ondes sonores

Quelle que soit leur fréquence, les ondes sonores ne se propagent pas dans le vide. Elles ont besoin d’un milieu matériel : gaz, liquide ou solide.

La vitesse de propagation d’une onde sonore dépend essentiellement des caractéristiques (densité, température..) du milieu de propagation. Elles est plus importante dans les solides que dans les liquides, et dans les liquides que dans les gaz.

Les ondes sonores ont d’un milieu matériel pour se propager.Dans l’air, à température ambiante, la vitesse du son est 340 m.s-1.

Les ondes électromagnétiques

Dans le vide, les ondes électromagnétiques se propagent toutes à la même vitesse (ou célérité) c= 299 792 458 m.s-1. Leur vitesse de propagation dans l’air est très proche de celle dans le vide.

La vitesse de propagation de la lumière dans le vide (et dans l’air) est notée c, sa valeur est 3,00 x 108 m.s-1.

Dans un milieu les matériaux matériels, les ondes électromagnétiques se propagent plus ou moins bien. Leurs vitesse de propagation est toujours inférieure à celle dans le vide. Elle dépend de la nature du milieu de propagation et de la fréquence des ondes.

La réflexion et la réfaction

Les rayons lumineux subissent de nombreux phénomènes lorsqu’ils rencontrent un corps. Certains leur permettent même d’être réfléchis. C’est le cas notamment des miroirs

La réflexion de la lumière

Les phénomènes de réflexion de la lumière sont fréquents dans notre environnement : les reflet à surface de l’eau, les miroirs…

Un faisceau de lumière laser est renvoyé dans une seule direction lorsqu’il arrive à la surface d’un miroir : c’est le phénomène de réflexion.

Ce phénomène que l’on rencontre dans la vie de tous les jours est très simple : quand un faisceau de lumière rencontre un objet, il est dévié. Selon que la surface soit plane ou non plane, la lumière n’est pas renvoyée de la même manière. Sur une surface plane, on peut calculer son angle de réflexion facilement. Cependant, sur une surface non plane, la lumière est diffusée dans toutes les directions.

C’est grâce à la réflexion que l’on se voit dans un miroir.

La réfraction de la lumière

Un faisceau de lumière laser est dévié lorsqu’il passe d’un milieu transparent à un autre (par exemple : de l’air à l’eau , ou le contraire). C’est le phénomène de réfraction.

Un moyen simple de comprendre le phénomène de réfraction est d’effectuer une petite expérience.
remplissez un saladier avec de l’eau et munissez-vous d’un stylo. Plongez-le à moitié dans le saladier. Vu du dessus, le style vous semble cassé. Ressortez-le et vous constaterez qu’il est en parfait état !
Cette vue est due au phénomène de réfraction de la lumière. Une partie de la lumière est réfléchie et le reste pénètre dans le milieu mais en subissant une déviation. C’est alors ce que l’on appelle le rayon réfracté. Le faisceau d’origine, avant réflexion, est appelé rayon incident.

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