Cet article de blog examine les principes et les applications qui ont conduit la physique nucléaire — l'étude des noyaux atomiques — aux technologies médicales modernes comme la radiothérapie et les scanners TEP, en passant par les cyclotrons et les isotopes radioactifs.
Pourquoi la physique nucléaire a-t-elle mené à la médecine et aux sciences expérimentales ?
La physique nucléaire est l'étude des noyaux atomiques. Cependant, on a souvent tendance à la percevoir uniquement comme le domaine traitant des phénomènes de fission nucléaire qui se produisent dans les centrales nucléaires. Contrairement à cette idée reçue, divers sous-produits générés lors de la recherche en physique nucléaire ont permis de réaliser des expériences auparavant impossibles dans d'autres domaines de la chimie ou de la physique, et présentent également une valeur pratique en médecine.
Cyclotron : un simple accélérateur de particules ?
Prenons l'exemple du cyclotron, un accélérateur conçu pour les expériences de physique nucléaire. Un cyclotron est un accélérateur de particules qui induit un mouvement circulaire à partir de particules. De conception relativement simple, il se compose de deux chambres à vide en forme de D, constituées de plaques de cuivre. Cet appareil utilise un courant alternatif à haute fréquence pour accélérer le flux de particules chargées.
Les caractéristiques structurelles du cyclotron peuvent être globalement divisées en deux grandes catégories. Premièrement, contrairement aux accélérateurs de particules linéaires classiques, le cyclotron est un accélérateur de particules circulaire composé de deux plaques semi-circulaires en forme de D, espacées l'une de l'autre. Deuxièmement, à l'intérieur du cyclotron, la direction de la fréquence de la tension alternative change à chaque passage des particules à travers l'une des plaques semi-circulaires. Pour accélérer le flux de particules, la tension alternative circule entre deux électrodes métalliques semi-circulaires situées à l'intérieur de la chambre à vide. Ces plaques sont espacées d'un intervalle fixe afin de garantir aux particules, injectées au centre de cet espace, une liberté de mouvement suffisante. Les plaques semi-circulaires sont positionnées entre les pôles d'un électroaimant générant un champ électromagnétique perpendiculaire aux électrodes. Le champ magnétique résultant courbe la trajectoire des particules en une trajectoire circulaire sous l'effet de la force de Lorentz, qui agit perpendiculairement à leur direction de mouvement. De plus, à chaque passage des particules dans l'espace entre les plaques semi-circulaires, la direction de la fréquence du champ électrique change. Cette modification permet d'orienter le champ électrique de manière à accélérer la vitesse des particules. Par conséquent, sous l'effet de la force électrique, les particules sont guidées sur des orbites circulaires de rayons progressivement croissants.
Les particules accélérées de cette manière peuvent être utilisées dans des expériences à leur sortie du cyclotron, par exemple en les faisant entrer en collision avec divers matériaux ou en induisant des réactions nucléaires pour observer la création de nouvelles particules. Cependant, les particules générées dans un cyclotron ne servent pas uniquement à de simples expériences, mais jouent également un rôle crucial dans le domaine médical. En d'autres termes, le faisceau d'ions éjecté d'un cyclotron peut être utilisé pour le traitement du cancer, conformément au principe fondamental d'une technologie médicale communément appelée radiothérapie. La méthode consistant à irradier la tumeur d'un patient avec des protons accélérés à environ 60 % de la vitesse de la lumière dans un cyclotron afin de détruire l'ADN des cellules cancéreuses présente l'avantage de minimiser l'impact sur les tissus sains lors de son passage dans le corps, comparativement à la radiothérapie conventionnelle. De plus, le traitement est relativement rapide et moins inconfortable pour le patient, ce qui constitue un autre avantage important. Ainsi, l'application de la physique nucléaire démontre qu'elle ne se limite pas au domaine restreint de la production d'électricité, mais qu'elle peut s'étendre à de nombreux domaines.
La physique nucléaire dans les technologies médicales
Les isotopes radioactifs, couramment utilisés en physique nucléaire, sont également très présents en médecine. Des dispositifs médicaux innovants ont été développés, exploitant ces isotopes pour obtenir des informations plus précises sur le fonctionnement interne du corps humain. Outre l'imagerie conventionnelle par rayons X, la tomodensitométrie (TDM) et l'imagerie par résonance magnétique (IRM), une technologie appelée tomographie par émission de positons (TEP) a émergé, capable de visualiser l'activité fonctionnelle du cerveau. La TEP utilise des substances marquées par des isotopes radioactifs pour obtenir des images de différentes régions cérébrales. Le principe de l'acquisition d'images TEP repose sur le phénomène physiologique d'augmentation du métabolisme du glucose dans les régions cérébrales activées, entraînant une augmentation du flux sanguin. Dans ce processus, des molécules d'eau contenant un isotope à la demi-vie extrêmement courte (environ deux minutes) sont utilisées pour mesurer les variations du flux sanguin. L'examen compare la réponse du cerveau au repos à son état d'activation après stimulation, grâce à une méthode d'imagerie tomographique. De tels exemples démontrent clairement comment la physique nucléaire peut influencer positivement l'avancement d'autres domaines universitaires.
L'applicabilité de la physique nucléaire
Tant la technologie de production d'électricité par fission nucléaire que l'application médicale des accélérateurs de particules appelés cyclotrons résultent de l'application de principes scientifiques découverts lors de l'étude des noyaux atomiques. En ce sens, la physique nucléaire n'est pas seulement une discipline axée sur l'élucidation des propriétés des particules ; c'est un domaine qui stimule le progrès d'autres disciplines académiques grâce aux connaissances accumulées lors de ses recherches. En conclusion, la physique nucléaire peut être décrite comme une discipline polyvalente qui, non seulement explore les noyaux atomiques, mais contribue également au progrès de la science et de la technologie dans leur ensemble en appliquant les principes mis en évidence lors de ces recherches à divers domaines.
