LES ONDES AU SERVICE DU DIAGNOSTIC MEDICAL

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1 LES ONDES AU SERVICE DU DIAGNOSTIC MEDICAL

2 Comment établir un diagnostic ?

3 L’application des découvertes de la physique à l’exploration du corps humain fournit aux médecins des informations essentielles pour leurs diagnostics. Le médecin établit un diagnostic à partir : - des symptômes observés sur le patient (température, boutons, vomissement, etc…) - d’analyses chimiques (tests de l’urine, du sang, du liquide céphalorachidien, etc…) - d’analyse d’enregistrements de signaux électriques périodiques émis par le cœur ou le cerveau : électrocardiogramme ou électroencéphalogramme. - d’images de l’intérieur du corps du patient, fournies par les divers appareils de l’imagerie médicale, qui exploitent les propriétés des ondes ultrasonores et électromagnétiques. Ex : échographie, radiographie, scanner, IRM, fibroscopie…

4 Utilisation des ondes ultrasonores
L’échographie Utilisation des ondes ultrasonores

5 L'examen échographique utilise des ondes sonores de hautes fréquences (supérieure à Hz) et un ordinateur pour construire les images des différents organes du corps humain. Durant l'examen échographique, une sonde est déplacée sur la peau. Cette sonde émet des ultrasons qui se propagent à travers les tissus. La vitesse de propagation de ces ondes sonores dépend essentiellement des caractéristiques du tissu.

6 Échographies d’un fœtus et d’un cœur
Lorsque le faisceau d'ondes sonores traverse des tissus de caractéristiques acoustiques différentes, une partie de ce faisceau est réfléchie. Ces ondes sonores réfléchies (échos) sont recueillies par la sonde et transmises à un ordinateur. Ces signaux subissent une succession de traitements pour aboutir à la formation d'une image en échelle de gris. Une simple manipulation de la sonde permet d'avoir des images dans n'importe quel plan de l'espace et en temps réel. Échographies d’un fœtus et d’un cœur

7 Il existe aussi des échographies 3D (photos ci-dessous) ou 4D (où l’on voit les mouvements)
Ces échographies permettent même une reconstitution à l’aide d’une imprimante 3D

8 (ou tomodensitométrie)
La radiographie et le scanner (ou tomodensitométrie)  Utilisation des rayons X

9 La radiographie est basée sur l’utilisation des rayons X
La radiographie est basée sur l’utilisation des rayons X. Ces rayons ont été découverts à la fin du XIXe siècle. Il s’agit d’ondes électromagnétiques, tout comme les micro-ondes utilisées dans les téléphones mobiles, ou la lumière que nous percevons avec nos yeux. L’appareil se compose du tube émetteur de rayons X, d’une table d’examen et d’un récepteur qui contient le film radiographique. Pour réaliser une radiographie on procède comme si on faisait une photo mais le sujet est placé entre la source de rayons X et le film radiographique. Le film est développé à la façon d’une pellicule photographique traditionnelle.

10 Pour un scanner, le patient est allongé sur une table et celle-ci va se déplacer à travers un anneau. Cet anneau contient un tube à rayons X ainsi qu'un ensemble de détecteurs. Avec la tomodensitométrie axiale, c'est le faisceau de rayons X qui tourne autour du patient et, durant l'examen, le patient doit rester allongé, immobile sur la table. Les détecteurs à rayons X constituent l'équivalent du film: ce sont eux qui vont recueillir les caractéristiques des faisceaux de rayons X qui ont traversé le corps du patient. Ces informations sont analysées par un ordinateur et vont permettre de créer une image. À chaque rotation et pour chaque degré parcouru par le tube, les détecteurs reçoivent une information sur la quantité de rayons X traversant le patient. Les multiples données numériques reçues par le calculateur permettent de construire des images correspondant à des tranches successives de la région étudiée. Ces tranches successives correspondent à ce qu'on appelle scientifiquement des coupes axiales.

11 C'est le mouvement lent (l'avancée) de la table à travers l'anneau (dans lequel tourne le tube à rayons X) qui permet l'acquisition continue/successive des coupes axiales de toute une région. Avec le scanner, il n'y a plus de superposition des différents organes sur une même image comme avec une radiographie du thorax par exemple. Sur une coupe tomodensitométrique, les organes peuvent être étudiés individuellement. La gamme de gris des images obtenues avec la tomodensitométrie permet de détecter des différences entre les tissus: os (blanc), muscle (gris), etc … La taille minimale de détection des lésions (résolution) est également grandement améliorée avec le scanner. Ces faits expliquent la supériorité de détection des lésions pulmonaires du scanner (tomodensitométrie) sur la radiographie standard du thorax. On passe de 4 valeurs de gris à jusqu’à 2000 valeurs de gris.

12 Scanner cérébral normal

13 On peut fusionner des images 3D du cerveau et du crâne et créer ensuite un volet artificiel permettant de visualiser un méningiome (=tumeur) par rapport aux structures osseuses environnantes. Ces images sont utiles en bilan pré-chirurgical.

14 On réalise aussi des images en couleur d’une très grande finesse
(en attribuant des fausses couleurs aux niveaux de gris)

15 Imagerie par résonance magnétique nucléaire
L’IRM Imagerie par résonance magnétique nucléaire Utilisation d’ondes radio

16 Le patient est placé dans un mini-tunnel où règne un champ magnétique puissant obtenu avec un aimant supraconducteur. L'émission d'ondes radio va positionner les noyaux d'hydrogène du corps du patient dans un état particulier appelé résonance. Le retour de ces noyaux d'hydrogène à leur état d'équilibre va engendrer la formation d'un signal capté par une antenne réceptrice. Lors d'un examen IRM, c'est l'analyse de ce signal par un ordinateur qui permet d'obtenir les images des différentes parties du corps humain. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique qui permet d'obtenir des images dans n'importe quel plan de l'espace.

17 Des exemples d'images IRM du cerveau obtenues dans le plan axial, sagittal et coronal sont donnés ci-dessous. Les images que fournit l'IRM sont «natives» dans le sens qu'elles ne sont pas produites par des manipulations mathématiques de données (comme pour la tomodensitométrie). L'imagerie par résonance magnétique (IRM) permet donc une localisation précise des lésions. Cette information est cruciale pour la planification d'une intervention chirurgicale. L'IRM permet de discriminer les différents types de tissus mous. C'est ce qu'on résume en disant que l'IRM a une excellente sensibilité de contraste.

18 A gauche un scanner, à droite une IRM
Le scanner et l'IRM sont deux modalités qui utilisent des techniques différentes: les rayons X pour la première; les champs magnétiques pour la seconde. Par conséquent, ces modalités ne «voient» pas la même chose et, donc, les informations fournies sont différentes. Ce sont aussi deux modalités qui peuvent être complémentaires. Chacune des deux modalités a ses forces et ses faiblesses: L'IRM a une sensibilité élevée de contraste (= possibilité de distinguer de multiples catégories de tissus mous) et elle excelle dans la recherche des lésions des systèmes musculosquelettiques ou du système nerveux cérébral. A noter que l'IRM a une résolution inférieure à celle de la tomodensitométrie. La tomodensitométrie axiale fournit des images de très hautes résolutions. La tomodensitométrie excelle également dans la recherche des fractures, de calcium ou de sang dans les tissus. C'est pour toutes ces raisons que le scanner cérébral reste l'examen-roi dans les lésions traumatiques ou la recherche d'hémorragie. Mais la tomodensitométrie a une résolution de contraste très inférieure à celle de l'IRM.

19 La fibroscopie ou endoscopie
Utilisation des ondes lumineuses

20 Cordes vocales L'endoscopie est une méthode d'exploration et d'imagerie médicale ou industrielle qui permet de visualiser l'intérieur (endon en grec) de conduits ou de cavités inaccessible à l'œil. L'endoscope est composé d'un tube optique muni d'un système d'éclairage. Couplé à une caméra vidéo on peut ainsi retransmettre l'image sur un écran. L'endoscopie peut être utilisée, soit pour le diagnostic, soit pour traiter une maladie (endoscopie opératoire). Il s'agit d'un terme générique qui recouvre des examens spécifiques par organe.

21 L’endoscopie sans fil

22 On utilise une caméra, de la taille d'une gélule, pour le diagnostic des pathologies gastro-intestinales. Il s’agit d’une méthode moins invasive et plus agréable pour le patient que les autres méthodes existantes. Les gastroscopes et colonoscopes permettent au personnel médical d'observer la partie haute de 1,2 m et la partie basse de 1,8 m du tractus digestif humain, mais les 6 m du milieu, qui constituent l'intestin grêle, restent difficiles à approcher. L’usage des rayons X ou des ultrasons ne permettent pas une visualisation directe de l'intestin grêle. On arrive tout au plus, à l’aide de la tomodensitométrie, à réaliser des endoscopies virtuelles. Les médecins devaient alors utiliser parfois la chirurgie exploratoire, méthode à la fois risquée et très inconfortable pour les patients. Tout ceci réduisait donc les chances de détecter des pathologies gastro-intestinales à un stade précoce.

23 Une capsule PillCam SB mesure 11 mm par 26 mm et pèse 3,7 grammes
Une capsule PillCam SB mesure 11 mm par 26 mm et pèse 3,7 grammes. Elle contient une caméra vidéo à puce pour prise de vue, six diodes électroluminescentes (LED), deux batteries à l'oxyde d'argent et un émetteur radio. Le patient avale la capsule, qui, selon sa définition, transite en toute sécurité dans le tractus digestif du patient, avant d'être éliminée naturellement par excrétion. La capsule contient un émetteur qui envoie des signaux aux capteurs présents dans le récepteur que le patient porte sur lui. Ce récepteur enregistre toutes les données transmises à une vitesse de deux images par seconde, soit environ 50 000 images au total. Durant les huit heures et demie que dure l'examen, le patient peut se déplacer normalement. Cette méthode ne nécessite ni préparation de l'intestin ni sédation. L'endoscopie sans fil par capsule est désormais la norme partout dans le monde pour les diagnostics concernant l'intestin grêle.

24 La thermographie Utilisation des IR

25 Les objets de la vie courante émettent des ondes dans le domaine de l’infrarouge. La fréquence de ces ondes dépend de la température de l’objet qui l’émet. Cette onde de même nature que la lumière n’est pas visible par l’œil. De petites variations locales peuvent donc être décelées par une caméra infrarouge si celle-ci est capable de distinguer de petites différences de fréquences.

26 La thermographie permet dans les applications médicales de repérer des surchauffes locales. Elle peut être employée autant pour la détection de traumatismes que pour le suivi en hyperthermie. L’étude par thermographie infrarouge de la température de la peau est un moyen d’apprécier l’état physiologique de la peau mais aussi d’une certaine façon celle des tissus sous-jacents. Elle présente un intérêt dans le diagnostic des pathologies ou dans le suivi des actes thérapeutiques où il y a atteinte de la vascularisation : brûlures, greffe…

27 Utilisation des sons audibles
L’audiométrie Utilisation des sons audibles

28 L'audiométrie tonale réalisée par le médecin ORL permet d’évaluer la perte d'audition. Le test consiste à faire entendre des sons purs à fréquences choisies et avec une intensité de plus en plus forte, pour apprécier à partir de quelle intensité le patient commence à percevoir cette fréquence. Les résultats obtenus sont transcrits sur des courbes ou audiogrammes, qui permettent d'identifier le type de surdité. Pour l'audiogramme tonal, l'axe vertical représente la perte exprimée en décibels (dB). Sur l'axe horizontal on a les fréquences en hertz (Hz). L'audiogramme représente graphiquement le déficit auditif en fonction de la fréquence. Plus on s'éloigne de 0 dB, plus la perte est importante. Certaines pertes sont naturelles et peuvent être liées à l’âge du sujet.

29 2 autres techniques d’imagerie n’utilisant pas à proprement parler des ondes

30 La scintigraphie monophotonique

31 La scintigraphie monophotonique repose sur l’utilisation de deux éléments fondamentaux : un traceur radioactif injecté au patient et une caméra sensible aux rayons gamma. Le traceur, marqué par un atome radioactif qui émet des photons dans toutes les directions, va se fixer spécifiquement sur l’organe à analyser. Les photons émis traversent le corps du patient jusqu’à la gamma caméra. Cette dernière est équipée d’un collimateur dont le rôle est de délimiter les points d’émission des photons. La gamma caméra tourne autour du patient afin d’obtenir, après reconstitution informatique, des images 3D de l’organe étudié. Les atomes radioactifs utilisés pour l’imagerie scintigraphie ont une demi-vie courte (6h pour le Tc l’isotope le plus utilisé) et la radioactivité a disparu au bout de 10 demi-vies (environ 2,5 jours).

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34 La tomographie par émission de positons

35 La tomographie par émission de positons (TEP) est basée sur l’utilisation d’un traceur marqué par un atome radioactif, le Fluor 18 ou le Carbone 11, qui émet des positons. Après son injection dans l’organisme par voie intraveineuse, le traceur s’associe à sa cible biologique. Les positons, émis lors de cette association, s’annihilent avec les électrons environnant en émettant deux photons dans des directions diamétralement opposées. Une couronne de détecteurs placée autour du patient va permettre de capter les photons de part et d’autre de la région cible. Le traitement de l’ensemble de ces captures conduira à la reconstitution, au besoin, d’une image 3D de la zone étudiée. Les atomes radioactifs utilisés pour la TEP ont une demi-vie courte (20 min à 2 h environ selon les isotopes) et l’essentiel de la radioactivité disparaît au bout de 10 demi-vies.

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37 MRI = IRM AD = Alzheimer disease

38 FIN