La physique médicale couvre de nombreux domaines différents, depuis les technologies utilisées pour améliorer la vue et l'ouïe jusqu'à l'aide au diagnostic des maladies (techniques d'imagerie interne), la création d'outils pour améliorer les méthodes chirurgicales (endoscopie) et le traitement des maladies, comme la radiothérapie.
Physique de l'œil et de l'oreille
Chez toutes les espèces animales, les organes qui permettent de percevoir l'environnement sont les outils les plus importants pour la survie. Chez l'homme, deux de ces systèmes sensoriels sont l'ouïe et la vision.
Ces deux mécanismes traduisent les signaux entrants en impulsions électriques qui sont transmises au cerveau. L'évolution a rendu ces systèmes si complexes qu'ils nous permettent de détecter les couleurs, la direction des sons et l'intensité des sons et de la lumière. Les mécanismes physiques qui régissent leur fonctionnement sont importants, et les comprendre du point de vue de la physique et de la biologie nous permet de développer une gamme de solutions de santé.
Physique de l'œil
Si nous pouvons voir les choses qui nous entourent, c'est grâce à la lumière qui pénètre dans nos yeux. Cette lumière subit une série de transformations optiques pour produire une image que nous pouvons voir. Comprenons comment cela fonctionne.
- La lumière pénètre dans l'œil par un dôme transparent appelé cornée, qui est un milieu réfringent qui plie la lumière entrante.
- La lumière passe ensuite par la pupille, une ouverture contrôlée par un muscle qui se dilate et se contracte pour laisser passer plus ou moins de lumière.
- Après avoir passé la pupille, la lumière pénètre dans le cristallin, qui concentre le faisceau lumineux à l'arrière de l'œil avec l'aide de la cornée.
- L'image focalisée au fond de l'œil est ensuite projetée sur la rétine. Celle-ci possède un réseau sensible de nerfs qui conduisent le signal lumineux jusqu'au cerveau.
De nombreux processus dans l'œil sont influencés par la lumière, notamment la mise au point, les lentilles et le traitement de l'image. Ainsi, de nombreuses applications de l'optique, une branche de la physique qui traite de la lumière, ont été utilisées pour corriger les problèmes de vue.
Physique de l'oreille
Nous pouvons entendre les sons qui nous entourent grâce au fonctionnement de l'oreille. L'oreille peut être divisée en trois parties, chacune ayant ses propres fonctions. En examinant sa structure, nous trouvons :
- L'oreille externe, qui recueille et transmet le son à l'oreille moyenne.
- L'oreille moyenne, qui convertit l'énergie d'une onde sonore en vibrations internes de la structure osseuse de l'oreille moyenne. Ces vibrations sont ensuite converties en ondes de compression dans l'oreille interne.
- L'oreille interne, qui transforme l'énergie des ondes de compression en impulsions nerveuses qui peuvent être transférées au cerveau.
Vois dans l'image ci-dessous les différents composants de l'oreille.
Le rôle de la physique dans le domaine médical
La physique a un grand impact, car elle fournit des solutions et des technologies pour aider les gens dans de nombreux domaines de la médecine et des soins de santé. Les lentilles et les implants de lentilles pour corriger la vue et les instruments optiques pour effectuer des chirurgies par endoscopie utilisent des résultats et des techniques issus de l'optique.
Des domaines tels que l'audition bénéficient d'applications en acoustique et en électronique. Celles-ci permettent de développer des mécanismes qui traduisent le son en impulsions électriques et les amplifient. D'autres applications de la physique peuvent être trouvées dans le traitement des maladies, comme l'utilisation de radiations pour tuer les cellules cancéreuses et réduire les tumeurs. L'électrocardiographie et l'imagerie sont d'autres domaines utilisant des applications de la physique.
La physique pour le traitement du cancer
La physique nucléaire est l'un des principaux outils utilisés dans la lutte contre le cancer. Les traitements utilisent un faisceau de particules (électrons, photons ou protons) dirigé vers la tumeur afin de la tuer et d'empêcher sa propagation.
Dans certains cas, les sources de rayonnement peuvent être internes (à l'intérieur de ton corps), un traitement connu sous le nom de radiothérapie.
Les cellules portent dans leur génome des instructions pour produire des cellules filles et remplacer les tissus lorsqu'ils sont endommagés ou que d'autres cellules sont mortes.
Les cellules cancéreuses portent dans leur génome des dommages qui affectent les instructions de croissance et de division (cancérogenèse). Les cellules cancéreuses se multiplient alors sans fin et forment des tumeurs.
Les radiations sont utilisées pour endommager davantage l'ADN de ces cellules. Après quelques séances, l'ADN est tellement endommagé que les cellules ne peuvent plus se reproduire. La radiothérapie est utilisée en combinaison avec d'autres traitements, tels que la chirurgie et la chimiothérapie, pour garantir un taux de réussite élevé dans la lutte contre le cancer.
La physique des appareils auditifs
L'ouïe humaine est dotée d'un mécanisme qui traduit le son d'abord en vibrations mécaniques, puis en impulsions électriques qui sont envoyées au cerveau. Avec l'âge, certaines parties de ces mécanismes sont perdues ou endommagées.
Des appareils capables d'amplifier les sons entrants ont été mis au point pour améliorer l'audition des personnes souffrant de déficiences auditives. À l'aide d'un microcontrôleur, ces appareils transforment les sons en signaux électriques et les envoient dans le conduit auditif après les avoir amplifiés.
Certains problèmes d'audition nécessitent des solutions spécifiques et plus directes, qui peuvent inclure l'implantation de dispositifs sous la peau, tels que :
- Les prothèses auditives à ancrage osseux, qui transmettent la vibration par l'intermédiaire de l'oreille interne.
- Les implants cochléaires, qui envoient le signal électrique à la cochlée, l'organe qui traduit la vibration en signaux électriques.
- Les implants auditifs du tronc cérébral, qui envoient le signal directement au cerveau.
Physique des lentilles et de l'optique
L'optique a été l'un des principaux domaines de la physique médicale, nous permettant de produire des appareils tels que des télescopes et des microscopes. L'optique nous aide également à produire des lentilles pour corriger la vision. Les défauts de vision causés par une déformation de la courbure de l'œil modifient l'image qui est acquise par le cerveau. Les lunettes et les lentilles corrigent la lumière qui pénètre dans les yeux, apportant ainsi une solution aux défauts de vision.
En cas de myopie, l'image se focalise avant d'atteindre le fond de l'œil, ce qui la rend floue. Les lunettes permettent de recentrer l'image avant qu'elle n'entre dans ton œil, corrigeant ainsi ce défaut.
Dans de nombreux cas, la myopie peut également être traitée en implantant des lentilles à l'intérieur de la première couche de l'œil. Ces lentilles intraoculaires peuvent également aider à traiter la cataracte, en remplaçant les lentilles naturelles de l'œil lorsqu'elles deviennent troubles.
Physique de l'électrocardiographie
Un test appelé électrocardiogramme permet aux médecins de mesurer le rythme cardiaque d'un patient. Cette technique est connue sous le nom d'électrocardiographie.
Les potentiels électriques dans le muscle cardiaque produisent un tracé électrique mesurable, un électrocardiographe ou ECG. L'analyse du signal délivré peut montrer les performances du cœur et donner de précieuses informations sur tout comportement étrange.
Physique de l'imagerie non ionisante
Cela comprend l'étude de l'imagerie par ultrasons et de l'imagerie par résonance magnétique (IRM), des techniques qui utilisent des photons ou des sons de faible énergie pour produire des images des composants internes du corps.
L'imagerie par ultrasons
Cette technique fonctionne en transférant des ondes sonores vers le corps et en détectant leurs ondes de réflexion. Nous ne pouvons pas détecter ces ondes ultrasonores, dont la gamme sonore de 20kHz et plus dépasse notre capacité auditive.
Grâce aux ultrasons, les médecins peuvent obtenir des images détaillées en temps réel à un coût relativement faible, sans causer de dommages au patient. L'imagerie par ultrasons permet aux médecins de diagnostiquer une variété de conditions médicales, y compris les troubles des valves cardiaques, les tumeurs possibles et d'autres anomalies des organes.
Imagerie par résonance magnétique
L'imagerie par résonance magnétique, communément appelée "IRM", est utilisée pour produire une image détaillée d'une coupe transversale du corps d'un patient. Elle utilise des champs magnétiques puissants et des ondes radio pour produire des images en induisant de petites modifications rapides dans les atomes d'hydrogène du corps.
Physique de l'imagerie ionisante
Les techniques d'imagerie ont également recours à des rayonnements de forte puissance, utilisant de petites doses de rayonnements électromagnétiques pour recréer des images du corps sous forme de rayons X ou de rayons gamma pour le traçage. D'autres procédés d'imagerie peuvent également utiliser l'émission de particules bêta.
En général, ces techniques peuvent produire des images très précises des parties internes du corps. Cependant, l'exposition à celles-ci doit être limitée pour garantir la sécurité des patients.
Imagerie par rayons X
Les rayons X sont des ondes de courte longueur d'onde et de forte intensité. Ils sont utilisés en médecine pour créer des images en noir et blanc de l'intérieur du corps. Les couleurs et les tons de l'image sont le produit de l'absorption des photons des rayons X.
Les rayons X ont une énergie élevée et pénètrent donc plus facilement la matière, mais leur absorption et leur pénétration dépendent de la densité du matériau.
Sur les images, les os, qui absorbent les rayons X, apparaissent en blanc. Les tissus, qui absorbent moins de rayons X, apparaissent en gris, tandis que l'air, qui n'absorbe qu'un très petit nombre de rayons X, apparaît en noir.
La technique de création, de traitement et d'interprétation des rayons X s'appelle la radiographie. Les rayons X sont couramment utilisés pour vérifier les fractures, mais ils peuvent aussi détecter une pneumonie et même un cancer du sein. Plus récemment, les rayons X ont été utilisés pour vérifier les signes éventuels de complications liées au COVID-19.
Imagerie par radionucléides
Un radionucléide est un nucléotide radioactif par nature. C'est un isotope d'un élément dont le noyau est instable. Sa désintégration entraîne l'émission de particules subatomiques ou de rayonnements électromagnétiques.
Une scintigraphie aux radionucléides est un type d'imagerie qui utilise une petite quantité d'un isotope appelé traceur pour identifier le cancer, les blessures, les infections et d'autres conditions. Le traceur est injecté dans une veine ou mangé. Une fois dans le corps, le traceur circule jusqu'à l'organe concerné, comme la thyroïde, le cœur ou les os. Le rayonnement est alors détecté et interprété par une caméra ou un capteur.
Le traceur émet des rayons gamma, qui sont comparables aux rayons X. Une gamma-caméra détecte ces rayons gamma, qui sont ensuite traités par un ordinateur pour créer une image de l'organe cible. Les zones potentiellement problématiques émettent des rayons gamma plus intenses, qui apparaissent sur le scanner sous forme de taches brillantes. Les scanners TEP, les scanners au gallium et les scanners osseux sont tous des exemples de scanners aux radionucléides.
À l'exception d'une petite piqûre dans le cas d'une injection, une scintigraphie aux radionucléides est indolore. L'isotope doit voyager jusqu'à l'organe cible, ce qui peut prendre plusieurs heures. Le patient peut normalement quitter le centre d'examen pendant cette période et revenir pour la scintigraphie, qui peut durer entre une et cinq heures.
Physique médicale - Principaux enseignements
- La physique médicale traite de la physique des soins de santé et de la façon dont la physique produit des applications utilisées en médecine.
- L'œil et l'oreille sont deux systèmes sensoriels qui convertissent les signaux, respectivement la lumière et le son, en impulsions électriques qui sont ensuite transmises au cerveau.
- L'optique et l'acoustique, deux branches de la physique, ont un grand impact sur les soins de santé de la vue et de l'ouïe.
- L'analyse des systèmes sensoriels et de leur fonctionnement a permis de créer des appareils et des lentilles qui corrigent les problèmes d'audition et de vision.
- Le traitement du cancer fait appel à la physique nucléaire pour combattre les cellules cancéreuses.
- L'imagerie et la surveillance médicales utilisent des techniques ionisantes et non ionisantes pour surveiller et délivrer des informations sur les parties internes du corps, aidant ainsi les médecins à recueillir des informations plus précises sur leurs patients.
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