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Dossier de l’épisode numéro 254, par Pol du blog Les Petites Curries du Net - La radiographie médicale est apparue très vite après la découverte des rayons X, en 1895. Bien que son principe physique soit resté le même, de nombreuses innovations ont vu le jour depuis. Plusieurs ont d’ailleurs été récompensées par des prix Nobel… Tour d’horizon en cinq étapes chronologiques, sur des éléments connus et moins connus de cette technique devenue aujourd’hui incontournable dans le milieu médical.

Pour me présenter un peu, je suis Pol Grasland-Mongrain, j’ai fait mes études en physique à l’ENS Cachan, puis une thèse en physique médicale à l’Université de Lyon, et je suis maintenant en post-doc à l’Université de Montréal. Je suis plutôt spécialisé en imagerie ultrasonore, mais je m’intéresse à d’autres modalités comme l’IRM, l’OCT ou la radiographie. Je tiens un blog consacré à l’imagerie médicale nommé “les Petites Curies du Net” – on verra au cours de cette émission la raison de ce nom.

Ce podcast sera consacré à la radiographie et son histoire jusqu’à aujourd’hui. Je tiens à préciser que le sujet est très vaste, il y aurait vraiment beaucoup à dire, donc ce que je vous présenter ne sera pas exhaustif.

Ce sera plutôt cinq chapitre thématiques sur des éléments notables de l’histoire de la radiologie. Je voudrais juste commencer par rappeler en quelques mots comment fonctionne une radiographie classique. Une radiographie, dans le sens usuel du terme, est une technique d’imagerie basée sur les rayons X. Dans cette technique, on émet des rayons X à travers le corps d’un patient. Ceux qui ne sont pas absorbés par les organes sont absorbés par une plaque placée derrière celui-ci. Cette plaque, transparente à la base, s’assombrit lorsque des rayons X l’atteignent : on obtient ainsi une sorte de négatif de photographie, avec des zones plus ou moins transparentes selon la quantité de rayons absorbés. Les procédés actuels utilisent de plus en plus des capteurs électroniques plutôt qu’une plaque de photographie, mais le principe est identique.

La découverte des rayons X (1895)

Les rayons X ont été découvert à la fin du XIXe siècle. Au cours de ce siècle, la communauté scientifique avance à grand pas en électromagnétisme. Ainsi, Maxwell parvient à synthétiser les connaissances sur le sujet grâce à ses célèbres équations en 1865. Même si en réalité, il commença par les écrire sous la forme de 20 équations à 20 inconnues, ce qui demandait un niveau mathématique plutôt conséquent… Bref, dans les années 1880-1890, plusieurs scientifiques s’intéressaient aux “tubes à décharge” qui présentent des propriétés surprenantes. Ces objets sont constitués d’un tube en verre dans lequel on a fait un vide partiel. Dans ces tubes se trouvent deux électrodes : on applique entre celles-ci une différence de potentiel, donc l’une est considérée comme une cathode, et l’autre comme une anode. On peut alors observer, sur la paroi du tube, une fluorescence verdâtre.

Pour comprendre un peu mieux ce qui se passe, les scientifiques font toutes sortes d’expériences. Voici quelques observations : en mettant une sorte de croix de Malte en métal, on distingue l’ombre de cette croix sur la paroi du tube – cela suggère entre autres une propagation en ligne droite. En ajoutant une seconde paire d’électrodes placées perpendiculairement, on dévie la tache verdâtre. Pareil avec un aimant placé proche du tube. En remplaçant le fond du tube de verre par un film d’aluminium, on arrive quand même à observer la fluorescence derrière, sur un disque de carton peint avec une substance appelée platinocyanide de baryum – je ne sais pas pourquoi les chercheurs ont testé cette substance, mais bon.

C’est là qu’intervient un certain Wilhelm Röntgen. En décembre 1895, Wilhelm Röntgen, donc, entoure le tube de verre de carton noir opaque pour empêcher la lumière de sortir. Il fait son expérience, il veut vérifier que son carton est bien opaque, donc il éteint la lumière de la pièce et déclenche son appareil. Il semble alors apercevoir une sorte de flash lumineux au fond de son laboratoire, quelques mètres plus loin. Il est surpris, il recommence, et observe à nouveau le flash lumineux à chaque décharge. Il parvient à localiser la source des flashs : il s’agit d’un morceau de carton peint avec du platinocyanide de baryum qui trainait là (oui, le même matériau que précédemment).

Forcément, ça l’intrigue, et Röntgen utilise des plaques photographiques afin d’avoir une trace de ses observations. Et il commence à mettre un peu tout ce qui trainait dans son labo entre le tube et le morceau de carton peint.
Röntgen teste d’abord une plaque d’aluminium, une feuille d’or, des morceaux de caoutchouc, des bouts de bois dont un “avec une section carrée de 20mm par 20mm dont un côté est peint avec une peinture blanche au plomb”, un livre “d’environ 1000 pages”, deux paquets de cartes à jouer… Et enfin, il a une idée de génie : appeler sa femme, Bertha. Celle-ci vient, et Rontgen lui dit de placer sa main à un endroit précis. Bref, elle obtempère, et la décharge est exécutée. On distingue alors sur la plaque photographique les os de la main de Bertha. Pour ceux qui connaissent l’image, non, il n’y a pas une énorme tumeur cancéreuse sur l’annulaire, c’est une bague. Mais bref, cela constituera la première radiographie au monde. Dans l’article qu’il écrit par la suite – en allemand et en français, l’anglais n’était pas encore incontournable à l’époque – Röntgen indique :

Afin d’être bref, j’utiliserai le terme ‘rayons’, et pour les distinguer d’autres du même nom, je les appellerai ‘rayons X’

La technique qu’il a inventée se diffusera très vite et sera considérablement améliorée. A peine un an plus tard, on obtient des radiographie de qualité médicale, ce qui entraine l’ouverture des premiers centres de radiologie (même s’il a fallu vaincre quelques réticences pendant encore une vingtaine d’années). Et on estime qu’il y a eu environ 5 milliards de radiographies effectuées depuis ce jour. Rontgen sera récompensé pour ses découvertes par un prix Nobel en 1901. Et les radiographies seront alors nommées en son honneur Röntgenogrammes (c’est parfois encore utilisé, selon les langues ; en allemand, le verbe “zu röntgen” continue d’ailleurs aujourd’hui à désigner l’action de radiographier quelqu’un).

Pour conclure sur ce chapitre, on peut quand même tirer deux moralités importantes :
-Le laboratoire d’un chercheur ressemble parfois à un vieux débarras.
-Lorsqu’on fait une expérience douteuse, mieux vaut d’abord la tester sur un autre plutôt que sur soi-même.

Les “petites Curies” (1914)

Faisons un bond de 20 ans en avant, jusqu’à la Première Guerre mondiale, pour parler du deuxième chapitre : les “Petites Curies”

La découverte de Röntgen a mené au développement rapide de la radiographie : des services de radiologie sont créés les années suivantes dans plusieurs pays européens, notamment sous la direction d’Antoine Béclère en France. Ainsi, au déclenchement de la guerre, la France comprend environ 175 médecins radiologues (petite note au passage : on dit plutôt radiologue en France et radiologiste au Canada, je ne sais pas pour les autres pays). Côté matériel, des difficultés apparaissent dès le début de la guerre. En effet, pour faire des radios, on utilise du verre sans plomb – mais celui-ci provient exclusivement de Thuringe, en Allemagne. On arrive quand même à remplacer celui-ci par des pellicules fines à la fin de l’année 1915. Mais avec le recul, le matériel a globalement assez peu évolué pendant la guerre. Par contre, l’organisation des services de soin a fait des bonds de géant pendant la guerre.

En novembre 1914, par une circulaire, tous les médecins radiologues qui n’étaient pas encore mobilisés le sont, et ils sont tous affectés dans des postes de radiologie spécifiques – ce qui n’était pas le cas avant. 175 médecins radiologues, ce n’est cependant pas suffisant face à l’afflux de blessés, et les services ne sont pas bien coordonnés. Marie Curie et Antoine Béclère s’impliquent alors avec énergie, avec l’aide de Jules-Eugène Hirtz, pour améliorer la situation. Des formations accélérées pour médecins et manipulateurs sont lancées, ce qui permettra à la fin de la guerre d’avoir environ 500 médecins, et plus de 1000 manipulateurs. Parmi ces manipulateurs, un bon nombre de manipulatrices formées à l’institut du radium, grâce à l’action de Marie Curie notamment.

Par ailleurs, en 1914, il y a exactement 21 endroits où l’on peut faire des radiographie. La moitié est fixe, étant installés dans des grands hôpitaux militaires, et les autres peuvent être transportés, mais cela se fait surtout à dos d’animal… La logistique se développe néanmoins, encore sous l’impulsion de Marie Curie et d’Antoine Béclère, et un an plus tard, 54 postes sont disponibles, nombre qui s’élévera à 250 à la fin de la guerre.

Parmi ces postes, le premier poste mobile est créé par Marie Curie elle-même en 1915 à partir d’une voiture qu’elle a empruntée. Elle dirige les opérations pour augmenter ce nombre de postes mobiles, ce qui permettra d’en avoir jusqu’à 18 à la fin de la guerre, et elle conduit parfois elle-même les camions, sachant qu’elle n’a eu le permis qu’en 1916… Ces camions spécialisés comprennent un conducteur-mécanicien, un médecin radiologiste et un manipulateur, et le matériel peut être installé en moins d’une demi-heure sur le site. Ils pouvaient accompagner des ambulances ou rejoindre des hôpitaux de campagne, ce qui permettait d’intervenir au plus proche du front. On pouvait ainsi faire un premier diagnostic des soldats blessés sans déplacement important, trouver d’éventuels projectiles logés dans le corps et ainsi préparer rapidement des chirurgies. Ces camions seront par la suite nommées “Petites Curies” pour commémorer l’implication exceptionnelle de Marie Curie, et le titre de mon blog, “les Petites Curies du Net”, y fait justement référence.

Certains historiens estiment jusqu’à un million le nombre de soldats français ayant subi une radiographie au cours de cette guerre, dont un millier effectués par Marie Curie elle-même. L’histoire de la radiologie en France est intimement liée à celle de Marie Curie et sa famille, dont sa fille Irène qui l’a accompagnée sur le front faire des radios. Vous pouvez écouter les deux épisodes d’Irène de Podcast Science consacrés à Marie Curie, diffusés il y a quelques mois, pour en savoir plus.

Le principe de la tomographie (1917)

A peu près au même moment, en 1917, un mathématicien autrichien du nom de Johann Radon va élaborer une transformation qui va porter son nom, la transformée de Radon (donc rien à voir avec l’atome du même nom). Johannes Radon ne le sait pas encore, mais ce théorème aura des répercussions importantes en radiologie une cinquantaine d’années plus tard, ce qui fait l’objet du troisième chapitre de ce podcast.

Avant de décrire ce théorème, rappelons que les radiographies “classiques” sont des images à deux dimensions. Si cette image est suffisante dans de nombreux cas, comme la détection d’une fracture simple, elle ne permet pas toujours de localiser précisément des pathologies. On peut réaliser d’autres images avec d’autres angles, mais ce n’est pas forcément suffisant, on aura toujours des images à deux dimension qui seront des projections. L’idéal serait d’avoir une image à trois dimensions de l’intérieur du corps. C’est ce qu’on désigne généralement par tomographie, du grec “tomos”, la coupe, et “graphein”, écrire.

Un sinogramme

La solution à ce problème est donc la "transformée de Radon". Cette transformée est le calcul de la projection d’une forme dans chaque position et dans chaque direction. En d’autres termes, on prend une forme, on fait passer mentalement des lignes à travers cette forme, et on calcule la quantité de matière que chaque ligne a traversé. On obtient alors un ensemble de nombres, fonction de la position et de la direction de chaque ligne, que l’on peut ranger dans un tableau. On appelle ce tableau sinogramme (rien à voir avec les sinogrammes chinois bien sûr). Inversement, avec la transformée de Radon inverse donc, on peut reconstruire une forme à partir d’un sinogramme, c’est à dire le tableau des projections.

Le lien avec le problème précédent ? C’est qu’avec des radiographies réalisées à différents angles, c’est comme si l’on avait des projections à différentes positions et angles ! Bon, la technique nécessite en théorie une infinité de radiographies, ce qui serait très long en pratique. En plus, quand Radon a sorti sa théorie, personne ne fait encore le lien avec la radiographie. Il faudra attendre une quarantaine d’années pour qu’un chercheur, Allan McCormac, adapte cette théorie à la radiographie, et en 1971, Godfrey Hounsfield réussit à construire le premier “scanner à rayons X”, c’est-à-dire un appareil capable de réaliser des radiographies à trois dimensions à partir de clichés à deux dimensions. Les deux chercheurs recevront tous les deux le prix Nobel de médecine en 1979 pour leurs travaux. L’appareil qu’ils auront développé prendra le nom de CT-scan, pour Computed Tomography scanner, ou tomodensitomètre en français, ou simplement scanner – mais ce terme entraine parfois une confusion avec les IRM ou les échographes.

Aujourd’hui, selon les cas, on utilise des transformées de Radon ou d’autres algorithmes basés sur des simulations. Ceux-ci nécessitent un modèle sur le milieu à reconstruire – par exemple, on suppose que l’on va faire une image d’un coeur entouré de deux poumons et des côtes, ce qui devrait donner ce genre d’image. Ils fonctionnent de manière itérative : chaque résultat de simulation permet d’améliorer le modèle, ce qui donne un nouveau résultat, qui permet d’améliorer le modèle, etc. Ces méthodes et celles basées sur la transformée de Radon donnent des résultats différents, et on utilisera l’un ou l’autre selon les cas. Aujourd’hui, on est loin de faire systématiquement des images à trois dimensions, déjà car c’est plus cher, et surtout car cela nécessite plus de rayons ionisants sans que ce ne soit nécessaire…

Le danger des rayons ionisants (1920)

Ce qui nous mène au quatrième chapitre, consacré au danger des rayons X.

La radiographie est une technique ionisante, c’est à dire que ses rayons peuvent potentiellement arracher des électrons des atomes et molécules. En grande quantité, cela peut mener à des dommages dans les tissus, surtout quand ça touche l’ADN des cellules, et ainsi causer des mutations, des cancers, voire la mort. Les effets potentiellement néfastes des rayons ionisants, comme les rayons X ou les radiations radioactives, ont été observés assez rapidement, et les premières protections sont arrivées dès 1910, même si on ne réalise pas tout de suite leur dangerosité. Ainsi, on fait des démonstrations dans des fêtes foraines, et un magasin de chaussures propose même de radiographier ses pieds dans les chaussures !

ps254_9f479261e94558e6a9c562b1c2102f61.jpgMais dans les années 20, on prend vraiment conscience du problème avec le scandale dit des Radium Girls : une entreprise, l’US Radium Corporation, fabriquait des horloges avec quelques microgrammes de radium sur les aiguilles, afin d’être visibles de nuit. Les propriétaires de l’entreprise et techniciens connaissaient les effets potentiellement dangereux et se sont protégés de manière adéquate, avec tabliers de plomb, gants etc. En revanche, les employées, principalement des femmes, devaient utiliser un pinceau pour appliquer le radium sur les aiguilles, et leur contremaitre les encourageait à mouiller le bout du pinceau avec leur bouche. Certaines en ont par ailleurs également appliqué volontairement sur elles-mêmes pour des effets cosmétiques. Ce qui devait arriver arriva : plusieurs employées tombèrent malades à cause des radiations. Il y a eu une procédure judiciaire, pendant laquelle l’entreprise a mené une grande campagne de désinformation et de dénigrement de ses employées, jusqu’à même faire pression sur des professionnels pour avoir des avis en sa faveur. Bien que plusieurs plaignantes décédèrent avant le verdict, l’issue du procès a été en faveur des employées et a mis en lumière les effets néfaste des radiations. Et surtout, cela a fait avancer la cause de la protection des travailleurs, aux Etats-Unis notamment.

A forte dose, les rayons ionisants ont des effets “déterministes”, c’est à dire qu’ils causent à coup sûr des dommages, voire la mort. Les scientifiques utilisent dans ce cas une unité, le Gray : c’est la quantité de radiation, en Joule, absorbée par kilogramme de matière. Par exemple, si une personne reçoit globalement une dose de 10 Gray, la mort est quasiment certaine. En revanche, dans certaines radiothérapies, on applique localement des doses pouvant dépasser cette valeur, dans la zone cancéreuse. A plus faible dose, on constate des effets statistiques : pour une certaine quantité de rayonnement, étalée dans le temps ou non, on observe qu’un certain pourcentage de la population développe des cancers. Les scientifiques utilisent dans ce cas plutôt le Sievert, qui représente aussi la quantité de radiation absorbée par kilogramme de matière, mais pondérée par la dangerosité du rayonnement (les rayons gamma sont plus dangereux que les rayons X, par exemple), par la vulnérabilité de l’individu atteint (un insecte est beaucoup plus résistant qu’un humain) et par l’organe touché (mieux vaut avoir des rayons sur un bout de peau que dans le cerveau). A dose encore plus faible, on ne sait pas. Y a-t-il un seuil où le danger est nul ? Ou est-ce linéaire ? Serait-il même possible qu’une très faible dose soit bénéfique, en activant les mécanismes de régénération cellulaire ?

Dans le doute, on a établi des doses maximum selon les cas, toujours pondérées par le bénéfice escompté. Par exemple, on estime que ça vaut le coup de faire une radio lorsqu’on se fracture une jambe : le risque de développer un cancer suite à cette radio est extrêmement faible, alors que l’intérêt médical peut être important. Parfois, le bénéfice est plus sujet à discussion, par exemple pour les mammographies : à partir de quand la possibilité de détecter une tumeur précoce contrebalance-t-elle l’exposition aux rayonnements ionisants ? 40 ans, 45 ans, 50 ans ? La réponse diffère selon les pays et les époques.

A ce propos, vous avez peut-être vu des applications sur smartphones qui permettent de radiographier sa main. On passe le smartphone devant sa main, et c’est génial, une radiographie de sa main apparait sur l’écran. Mais bon, frimer devant ses camarades n’est pas considéré comme un bénéfice suffisant par rapport au danger que pose les rayonnements ionisants. Vous pouvez donc être sûr que ce genre d’applications est du grand n’importe quoi…

L’appareil de radiographie de demain ?

TubeDeCrookes

Tubes de Crookes

Pour revenir à ces smartphones, ça ne peut de toutes façons pas marcher car il faudrait un émetteur de rayons X et un capteur. En plus, un smartphone actuel même modifié est complètement incapable de produire des rayons X, et ce sera l’objet de ce dernier chapitre : comment un appareil de radiographie fonctionne physiquement et pour finir, à quoi pourrait ressembler l’appareil de radiographie de demain. Les radiographies sont aujourd’hui faites par des tubes à rayons X qui n’ont pas beaucoup évolué depuis la première radiographie faite par Wilhelm Röntgen il y a un siècle. A cette époque, on utilisait les tubes de Crookes, du nom de leur inventeur, William Crookes, qui ont par la suite été modifiés pour donner les tubes de Coolidge, du nom de William Cooldige – oui ça fait beaucoup de William, il y a peut-être une prédisposition.

Comme décrit au début de l’émission, ces tubes sont constitués d’une ampoule en verre dans lequel on a fait un vide partiel. Le tube comprend un filament, la cathode, et une plaque métallique, l’anode. Lorsque le filament est chauffé, des électrons sont éjectés ; cependant, le champ électrique entre la cathode et l’anode accélère ces électrons vers l’anode. Ce champ électrique peut aussi dévier les électrons, ce qui leur fait perdre de l’énergie, qui peut être émis sous la forme de rayons électromagnétiques, dont des rayons X. Malheureusement, ce sont des rayons X qui dégradent les radiographies. Lorsque les électrons entrent en collision avec l’anode, la plaque métallique, ils peuvent être absorbés par des atomes de l’anode. Ces atomes sont alors excités, et en se désexcitant, ils émettent des rayons électromagnétiques dont des rayons X. Ce sont ces rayons X qui sont les plus utiles. Ils sont filtrés, traversent le corps du patient, et sont absorbés par des capteurs placés de l’autre côté.

Le processus permet de faire des images de haute qualité, mais le rendement énergétique est effroyable. On dépense beaucoup d’énergie pour chauffer un filament, dont une petite partie seulement sert effectivement à éjecter des électrons ; parmi les électrons émis, quasiment seuls ceux qui vont effectivement rentrer en contact avec l’anode vont produire des rayons X qui seront utiles. Parmi les rayons X émis par l’anode, on ne prend que ceux qui partent dans la bonne direction. Ces quelques effets combinés font donc que 99% de l’énergie consommée par l’appareil ne sert pas à produire de rayons X utiles… En résumé, un appareil de radiographie, c’est une sorte de gros chauffage électrique. Les appareils actuels sont donc en pratique souvent massifs et peu transportables, et ne peuvent pas être miniaturisés à la taille d’un smartphone…

Mais… Un phénomène observé récemment va peut-être changer la donne. Au début des années 2000 des chercheurs ont vu qu’on pouvait produire de la lumière en déroulant des morceaux de scotch dans le noir – plus exactement, des morceaux de Duct Tape.

Bon j’ai essayé, et après avoir déroulé au moins trois rouleaux sans rien voir, j’ai abandonné l’expérience. Mais apparemment ça marche mieux dans le vide, ce qui n’était pas le cas du placard à balais de mon labo. Ce phénomène, ainsi que d’autres similaires, a été désigné sous le terme de triboluminescence. Ce terme est un beau mélange de grec (“τρίβειν”, frotter) et de latin (“lumen”, lumière). Le phénomène n’est pas encore parfaitement compris, mais les chercheurs supposent que les cassures violentes séparent les charges. Qui dit séparation de charge, dit champ électrique, ce qui met en mouvement les électrons présents. Ceux-ci rentrent alors en collision avec des atomes présents dans l’air, ce qui créé des ondes électromagnétiques. Et, parmi ces ondes électromagnétiques, de la lumière visible, et des rayons X. Pas de panique si vous essayez chez vous cependant : les intensités sont minuscules, surtout lorsque ça se passe dans l’air et non pas dans le vide.

Un chercheur américain, Seth Putterman, a donc eu l’idée de faire des radiographies en déroulant des morceaux de scotch et a récemment lancé une start-up sur ce phénomène. Depuis, son équipe a réussi à faire des radiographies d’un doigt grâce à ce mécanisme. Leur prototype ressemble à une cassette VHS, pour ceux qui ont connu ça (oui, ça me donne un coup de vieux de dire ça) : il y a un dérouleur de scotch et un enrouleur de scotch, et le tout est placé dans un vide partiel. Mais bon, pour être honnête, les clichés ne sont pas très impressionnants pour l’instant, mais ça marche.

Il reste quand même du boulot, car les intensités obtenus sont environ 10.000 fois inférieures à celle utilisés dans les radiographes “traditionnels”. Mais si le concept fonctionne correctement, l’intérêt serait d’avoir un appareil de radiographie beaucoup plus léger, consommant moins d’énergie, émettant moins de chaleur…

On peut même imaginer une version portable qu’un médecin pourrait emporter sur place en cas d’urgence. Peut-être que cela constituera l’appareil de radiographie de demain ?

Article publié sur le site : http://www.podcastscience.fm/dossiers/2016/04/19/la-radiographie-cent-ans-dinnovations-et-ca-continue/

Pol Grasland-Mongrain

Podcast Science

Podcast Science, c’est une émission hebdomadaire et un blog de communication scientifique créés en septembre 2010. Nous couvrons chaque semaine un grand thème de la science, avec ou sans invité, avec un objectif avoué : faire aimer la science, sans prise de tête !