Les rayons X ont permis non seulement de faire avancer l’exploration médicale, mais également d’appliquer leurs propriétés dans de très nombreux domaines, qui concernent l’ensemble de la société actuelle. Les rayons X sont des rayonnements ionisants invisibles, de courte longueur d’onde (très énergétique « 1.24 MeV ») peuvent traverser le corps humain, et ont des effets très nocifs sur la santé pour des durées d’exposition longue ou répétée aussi pour fortes intensités.
Le sujet traité dans ce rapport de fin d’études s’intitule : les rayons X, historique, principe et ses applications dans le domaine médical. Dans ce contexte, nous allons intéresser en premier lieu à la découverte des rayons X par röntgen et leurs propriétés. Aussi nous allons citer dans la même partie les premières utilisations des rayons X principalement en médecine. La deuxième partie sera consacrée à la production des rayons X par tube de Coolidge, principe et leurs spectres.
Les rayons X ont permis des avancées considérables en médecine, grâce à leurs propriétés ionisantes, particulièrement en imagerie médicale, cette dernière présente en effet, un intérêt diagnostic et clinique majeure en utilisant diverses techniques. La dernière partie apportera des exemples d’utilisation des rayons X dans le domaine médical.
⦁ Historique et définition des rayons X:
⦁ L’histoire de la découverte des rayons X:
En 1895, le physicien allemand Wilhelm röntgen s’intéresse à l’étude du rayonnement cathodique avec les tubes de Crookes, il décide de recouvrir le tube d’un cache en carton noir, il constate alors qu’un écran recouvert d’une couche de platine cyanure de baryum placé fortuitement 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 constate que la fluorescence persiste malgré l’ augmentation de la couche d’air à traverser, puis il intercale des objets entre l’ampoule et l’écran, une feuille de papier, une feuille d’aluminium, du bois, du verre et même un livre de mille pages, à chaque fois la fluorescence persiste, il en conclut qu’il vient de découvrir un rayonnement distinct de celui émis par la cathode, très pénétrant puis qu’il est capable de traverser la matière, ces rayons étant inconnus jusqu’alors, il les nomme «X». Alors il consacre les dernières semaines de 1895 à manipuler en solitaire et parvient à attribuer les caractéristiques suivantes :
⦁ Ils sont faiblement absorbés par la matière, cette absorption augmente avec la masse atomique des atomes absorbants. Une fine couche de plomb suffit à stopper le rayonnement produit avec ses sources de 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.
⦁ Les rayons X ne sont pas réfléchis sur un miroir.
⦁ Les rayons X ne sont pas réfractés par un prisme.
⦁ L’ordre de grandeur de leur longueur d’onde étant celui des distances interatomiques dans les cristaux, ils peuvent diffracter les cristaux.
⦁ Ils pénètrent plus facilement la « matière molle », c'est-à-dire la matière solide peu dense (chair …) constituée d’éléments légers comme le carbone, l’oxygène et l’azote qui sont facilement absorbés par la « matière dure » (solide dense constitué d’éléments lourds par exemple les os…).
⦁ Tube de Crookes :
Il s’agit d’une ampoule de verre comportant deux électrodes à ses extrémités une cathode métallique en aluminium et une anode qui sert de cible aux électrons, on fait le vide dans le tube mais il reste une pression d’air résiduel de l’ordre de 100 Pa, ses tubes sont alimentés par une bobine de Ruhmkorff, visible à droite, grâce au vide poussé au sein du tube, les électrons rencontrent peu de molécules sur leur trajet et conservent la grande vitesse acquise grâce au champ électrique, certains dépassent l’anode et provoquent une fluorescence du verre, accentuée le fond du tube est recouvert d’un matériau fluorescent.
Figure 1: tube de Crookes
⦁ Définition :
Les rayons X sont des ondes électromagnétique de courte longueur d’onde comprise entre 0.1 et 10 A, situés entre UV et les rayons gamma.
Figure 2: aspect ondulatoire des rayons X
⦁ Les premières utilisations des rayons X en imagerie médicale :
⦁ En 1895, la première radiographie réalisée est celle de la main de la femme de röntgen s’appelle Bertha röntgen.
⦁ Deux semaines après, l’annonce de röntgen, la première radiographie dentaire est réalisée par le dentiste allemand Walkhoof le temps de pose est très long (25 min) et la qualité ne permet pas d’effectuer correctement un diagnostic mais cela ouvre la voie vers importante perspective.
⦁ À partir de 1896, l’utilisation des rayons X dans l’imagerie médicale se répond dans le monde entier, en effet dès 1947 la France se dote du premier laboratoire de la radiologie grâce au docteur Béclère.
⦁ De nos jours, les rayons X sont utilisés dans de nombreux domaines, avec différentes formes d’application (images fixes, films, images 3D) ils sont principalement utilisés en médecine.
Figure 3: une des premières radiographies prise par Wilhelm röntgen
⦁ Production des rayons X :
⦁ Tube de Coolidge :
Jusqu’à maintenant, on conclut que les rayons X sont produits par les tubes de Crookes, ces derniers ont connu des améliorations par Coolidge en 1913, et qui ont pris son nom «Coolidge», on appelle aussi le tube à cathode chaude, ces tubes sont plus puissants et plus résistant aux chocs, l’anode du tube étant oblique par rapport à la direction du faisceau d’électrons, cela permet à davantage des rayons X de pouvoir sortir du tube.
Les électrons sont produits à partir du filament (souvent en tungstène) porté à haute température par un courant de quelque ampère. Les électrons sont arrachés au métal grâce au chauffage qui éloigne les électrons vers les couches extérieures et permet l’éjection des électrons orbitaux le plus éloignés du noyau, ces éjections d’électrons ionisent des atomes.
Les électrons extraits du métal sont ensuite accélérés par une tension électrique de quelques dizaines, les kilovolts tension maintenue entre le filament (cathode) et la cible (anode), les électrons sont alors repoussés par la cathode et attirés par la cible accélérée le flux d’électrons excite certains atomes de la cible, en perturbent leur couche externe l’anode étant métal lourd il freine brutalement le flux d’électrons il se produit alors une émission de rayons X par rayonnement de freinage appelé aussi « effet Bremsstrahlung ».mais il ne se crée que’1% de rayons X le reste n’est que de l’énergie thermique une augmentation de la tension appliquée entre l’anode et la cathode influe sur la qualité des rayonnements.
Figure 4: schéma d'un tube de Coolidge
⦁ Principe :
La génération des rayons X se fait selon le principe suivant :
Dans une enceinte de verre où règne un vide poussé, l’émission des électrons se fait par un filament dans lequel circule un courant électrique, ceux-ci sont accélérés en direction d’une anode par un champ électrique créé par une différence de potentiel élevé entre le filament qui sert de cathode et l’anode, ces électrons entrent en collision avec la cible que constitue le métal de l’anode, les rayons X sont alors produits par deux mécanismes différents d’une part l’électron se déplace à une vitesse très élevée, ont une énergie cinétique suffisante pour perturber les couches électroniques internes des atomes de la cible, ces atomes dans un état excité vont alors émettre des rayons X ont retournant à leur fondamentale, d’autre part le ralentissement des électrons dans la matière produit un rayonnement de freinage comportant des rayons X.
La production des rayons X se fait dans un tube radio gêne, La formation des rayons X est obtenue suite à l’interaction entre un faisceau d’électrons propulsé à grande vitesse contre une cible matérielle.
Figure : production des rayons X
Les rayons X peut se former de deux manières différentes :
⦁ Émission générale : en radiologie les rayons X sont généralement obtenus par l’émission générale. Lorsque l’électron passe à proximité du noyau, il se trouve attiré par sa charge Sous l’effet de la force d’attraction l’électron ralenti et change de trajectoire, provoquant une perte d’énergie qui se traduit par l’émission d’un ou de plusieurs rayons X.
Figure 6: émission générale des rayons X
Ce mécanisme produit des rayons X, à énergie variable, appelés faisceaux polychromatiques (par analogie avec la lumière).
L’énergie des rayons X, dépend de trois paramètres :
⦁ L’énergie cinétique de l’électron.
⦁ L’attraction du noyau, c’est-à-dire sa charge(Z).
⦁ La distance entre l’électron et le noyau, qui est aléatoire.
Donc l’énergie des rayons X est comprise entre 0 et l’énergie cinétique des électrons. La probabilité de produire un rayon X de forte énergie est plus faible que la probabilité de produire un rayon X de faible énergie. Le spectre d’émission et donc décroissant avec l’énergie avec une décroissance à peu près linéaire.
⦁ Émission caractéristique : est rarement utilisée dans la production des rayons X. Par contre, c’est un phénomène physique utilisé dans la détection et le dosage de certains atomes par la technique de fluorescence X.
Figure 7: émission caractéristique des rayons X
Lors d’émissions caractéristiques, l’électron incident vient percuter (frapper) un électron d’une couche profonde (souvent K) et parvient à l’éjecter (le déplacer). Le « trou » laissé est très vite comblé (rempli) par le passage d’un électron d’une couche plus périphérique (L ou M) vers la couche profonde incomplète. Ce déplacement est dû aux différences d’énergie de liaison entre les couches « électroniques ».
La différence d’énergie de liaison entre les 2 couches se retrouve sous la forme de l’émission d’un rayon X. L’énergie de liaison des électrons étant unique pour chaque couche et chaque atome, le spectre d’énergie des rayons X émit est caractéristique de l’atome en question. Il s’agit d’une émission dont l’énergie ne dépend que de l’atome de la cible.
⦁ Spectre d’un rayon X :
Le spectre d’émission d’un rayon X est constitué d’un spectre d’émission générale, auquel viennent s’ajouter les raies d’émission caractéristiques.
Le spectre d’émission générale et donc par définition lié au rayonnement créé par l’émission générale et le spectre d’émission caractéristique est lié au rayonnement caractéristique.
La mise en commun de ces 2 spectres s’appelle le spectre d’émission continu.
Remarque : ces raies d’émission caractéristiques n’apparaissent qu’à partir d’une tension de 25 KV.
Figure 8: schéma du spectre continu de rayons X pour un atome x
Prenons par exemple le spectre continu des atomes de tungstène et de molybdène. Ce sont des atomes avec un grand numéro atomique Z qui sont souvent utilisés comme composante de l’anode.
Figure 9: schéma du spectre d'émission continu de rayon X, issus d'une émission caractéristique sur une anode composée en jaune de molybdène et en rouge de tungstène
⦁ Les applications des rayons X :
D’après les premières utilisations des rayons X dans l’imagerie médicale (1895). Cette dernière est incontournable dans de nombreuses situations afin d’établir un diagnostic évaluer la sévérité d’une pathologie et avoir l’efficacité d’un traitement par des techniques telles que le scanner, radiographie, radiothérapie et l’angiographie, leurs fonctionnements en général se fait selon le processus suivant : un émetteur de rayons X chargé de créer et d’envoyer des rayons X qui seront par la suite projetés sur la partie du corps qui intéresse les médecins et aussi d’un capteur qui analyse les rayons X et qui les transforme en images (figure 10).
Figure 10: composition d'un dispositif d'imagerie médicale
⦁ Radiographie
⦁ Définition
La radiographie est une technique qui utilise les rayons X pour former un enregistrement de l’image d’une partie du corps, cette image est à visualiser un organe ou une partie de corps sur une pellicule photosensible, réalisée par un radiologue en hôpital, le terme « radiographie » désigne également le cliché radiographique.
⦁ Principe :
La radiographie consiste à impressionner sur un film radiographique les différences de densité d’un organe. Un faisceau de rayons X produit par un tube à rayons X est émise en direction de la zone du corps humain à examiner et traverse le corps du patient. Comme les rayons X traversent la matière, le film radiographique peut garder l’impression et livrer l’image de notre anatomie interne. Au cours d’une radiographie les rayons vont rencontrer des tissus, des os…
La plaque photographique, située face à la source de rayons X et derrière le patient, sera donc fortement exposée face aux tissus mous, et faiblement face aux os et aux tissus denses. En fonction de la densité de l’organe radiographié, le cliché sera plus ou moins noirci. Ainsi, les structures osseuses apparaissent en blanc et les organes qui comme les poumons, contiennent beaucoup d’air laissent passer les rayons et apparaissent en noir.
Figure 11: schéma d'une radiographie
⦁ Les avantages et les inconvénients :
⦁ La radiographie permet d’étudier le squelette, les articulations, les poumons, l’abdomen et les seins.
⦁ Les radiographies ne sont pas dangereuses. Plutôt un examen très rapide.
⦁ Les radiographies sont utiles dans la démarche diagnostic afin de réaliser un traitement adapté.
⦁ Elle recherche :
⦁ Au niveau des os, des fractures, de l’arthrose des malformations.
⦁ Au niveau du poumon, elle dépiste des lésions de la tuberculose, d’infections bactériennes ou virales, des tumeurs.
⦁ Au niveau de l’abdomen, elles visualisent les calculs présents dans la vésicule ou les reins, des signes d’occlusion ou de perforation digestive.
⦁ L’image obtenue à partir de cette technique est beaucoup moins nette.
⦁ La radiographie reste insuffisante pour avoir des examens complémentaires.
⦁ Les résultats obtenus n’étant pas de très bonne qualité, il est possible de les améliorer grâce à l’utilisation de l’iode ou encore de la baryte.
⦁ Scanner :
⦁ Définition :
L’image médicale créée par les rayons X existe sous plusieurs formes, parmi celles le scanner, le premier dispositif scannographie réalisé par Geoffrey newbold à l’aide du physicien américain Allan Macleod Cormack en 1972, les premières images furent réalisées sur le cerveau permettant ainsi de montrer les cavités des ventricules du cerveau.
Tout d’abord le scanner ou bien tomodensitométrie est un examen qui donne des images en coupe d’un organe, il sert à étudier le cerveau, la cage thoracique, l’abdomen ou encore les os. Il recherche des anomalies qui ne sont pas visibles sur des radiographies standard.
⦁ Principe :
L’examen consiste à soumettre le patient à un balayage de faisceau de rayons X, tout d’ abord le patient est placé au centre d’un court anneau d’environ 70 cm de diamètre, il est allongé sur une table qui se déplace dans le sens à l’intérieur de l’anneau, un tube émetteur de rayons X tourne autour du patient et génère un faisceau d’une épaisseur de 1 à 10 mm, en face du tube sont disposés des milliers de détecteurs qui vont mesurer l’intensité résiduelle du faisceau qui a traversé le corps ( figure 12).
Figure 12: schéma d'un scanner
Un détecteur électronique mesure l’intensité de départ du faisceau des rayons X émit par le tube à rayons X, ensuite il balaye point par point la tranche du corps à examiner en effectuant une rotation complète degré par degré, une partie des rayons incidents sont absorbés par les tissus traversés, les rayonnements émergents sont captés par un détecteur électronique, au cours de la rotation des rayons X incidents et rayons X émergent captés sont comparés et convertis en signaux électriques.
En quelques secondes, un peu plus de 2 millions de données sont enregistrées par l’ordinateur, le programme de celui-ci permet de calculer l’absorption du rayonnement en chaque point de la coupe, le scanner utilise l’absorption des rayons X en relation directe avec la densité des tissus que les rayons X ont rencontré les résultats sont alors mis en mémoire.
Un traitement informatique complexe permet ensuite de faire apparaître sur l’écran l’image reconstituée d’une coupe axiale, cette image traduit les variations d’absorption des tissus traversées auxquelles sont associées des variations de nuances ou des couleurs conventionnelles (figure 13).
Figure 13: fonctionnement d'un scanographe
⦁ Les avantages et les inconvénients :
⦁ Le scanner donne des informations très précises sur les organes étudiés de l’extérieur du corps, on peut le découper en tranches ou le reconstruire en trois dimensions.
⦁ Le scanner donne plus de précision sur les résultats d’une radiographie comme la localisation et l’étendue d’une lésion sur un tissu.
⦁ L’augmentation du parc installé place le scanner en position d’outil de diagnostic performe et facile d’accès au sein des services d’images.
⦁ Le scanner ne permet pas de préciser exactement la nature des maladies ou blessures découvertes.
⦁ Les rayonnements produits par le scanner comportent des dangers à forte dose car les rayons X sont des rayons ionisants qui ont un impact sur l’ADN. Ces rayonnements provoquent des lésions dans les brins de l’ADN, dans un cas normal, les brins de l’ADN sont réparés par des enzymes, cependant, la répartition peut être incomplète ou mal réalisée. Dans ce cas, les cellules qui contiennent ces brins d’ADN altérés peuvent soit mourir sur le coup sans conséquence, soit porter une mutation qui peut évoluer vers un cancer dans les cas les plus graves.
⦁ Interdiction en cas de grossesse ou d’allergie aux substances iodées.
⦁ La radiothérapie :
⦁ Définition :
La radiothérapie est un traitement locorégional des cancers. Elle consiste à utiliser des rayonnements pour détruire les cellules cancéreuses en bloquant leur capacité à se multiplier.
⦁ Principe :
La radiothérapie consiste à exposer les cellules cancéreuses à une ionisation c'est-à-dire une émission de radiations qui va altérer la composition de l’information génétique des cellules cancéreuses, de nos jours, les spécialistes utilisent des radiations ionisantes.
Ce matériel génétique existe sous forme d’ADN, subit des transformations, qui rendront la cellule incapable de se reproduire. Cette stérilisation réduit la reproduction anarchique de ces cellules malignes, responsable du cancer. Cependant, les cellules normales peuvent également être affectées par ces radiations, mais leur taux de répartition est supérieur à celles des cellules cancéreuses ce qui explique le bénéfice de la radiothérapie.
La radiothérapie est une technique largement utilisée en cancérologie pour le traitement des tumeurs, les doses de rayonnements administrés dépendent de l’organe ciblé.
Actuellement, trois grandes techniques de radiothérapie sont utilisées (figure 14).
Figure 14: les trois techniques de la radiothérapie
⦁ La radiothérapie externe : c’est une technique non invasive largement répondue dont l’émetteur de rayonnement ionisant qui se trouve en dehors du patient.
⦁ La curiethérapie : consiste à placer la source radioactive dans le patient au contact de sa tumeur.
⦁ La radiothérapie métabolique : consiste à injecter la source radioactive sous forme de liquide ou solide celle-ci se fixe ensuite sur les cellules que l’on souhaite atteindre ce type de radiothérapie nécessite la présence d’un médecin spécialisé en médecine nucléaire.
⦁ On distingue trois types da la radiothérapie utilisée en fonction du type de tumeur :
⦁ La radiothérapie curative : consistent à irradier les cellules cancéreuses afin de contrôler ou de guérir le cancer elle peut être utilisée seule ou associée à différents traitements tels que la chimiothérapie.
⦁ La radiothérapie palliative : consiste à soulager les patients atteints de cancers graves. Les rayonnements sont administrés en très faibles doses.
⦁ La radiothérapie symptomatique : permettent d’atténuer des syndromes graves dont souffre le patient en procédant à des irradiations de longue durée.
⦁ Les avantages et les inconvénients :
⦁ La radiothérapie est une solution extrêmement efficace pour traiter le cancer en faisant appel à d’intenses doses de rayonnement pour détruire les cellules cancéreuses.
⦁ La perte des cheveux et des poils.
⦁ Les nausées et les vomissements.
⦁ La fatigue.
⦁ La perte de poids.
⦁ La diarrhée ou à l’inverse, la constipation.
⦁ La douleur et la rougeur dans la bouche (stomatite).
⦁ Un affaiblissement du système immunitaire.
⦁ Conclusion
Au terme de notre projet, nous avons étudié les rayons X, particulièrement, historiques et leurs propriétés, ainsi que ses premières utilisations dans la médecine. De même nous avons traité la production des rayons X grâce à tube de Coolidge, en indiquant leurs principes et leurs spectres.
Les rayons X permettent de réaliser un grand nombre de diagnostic à l’aide de différents types d’images de la radiographie jusqu’à l’angiographie en passant par le scanner. Pour conclure les rayons X font de nos jours partie intégrante de l’imagerie médicale, cette dernière est devenue essentielle dans l’étude du corps humain, et constitue désormais un outil indispensable à la détection et le traitement de la plupart des photologies, de la simple fracture aux tumeurs les plus graves.
De plus il existe d’autres bénéfices engendrés par l’utilisation des rayons X dans le domaine de la sécurité (aéroport) où ils sont utilisés pour repérer la présence d’objets dangereux, également dans le domaine historique où ils sont utilisés pour vérifier la véracité d’une œuvre d’art.
En dépit des informations abondantes, il semble intéressant d’approfondir dans le domaine d’application des rayons X.
Ceci à permet l’ouverture d’une nouvelle et meilleur voit pour la valorisation des rayons X mais qui nécessitent des études approfondies.
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