2. Quels sont les principes physiques des différents procédés utilisés en imagerie médicale ?

> La radiographie et le scanner reposent sur l’utilisation des rayons X.
> L’échographie (ultrasonographie) exploite la propagation des ultrasons.
> L’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM)  utilisent la résonance magnétique nucléaire.
> La scintigraphie et la tomographie par émission de positions (TEP) se fondent sur les propriétés radioactives de molécules chimiques, naturelles ou artificielles.

Les rayons X (RX)

Les rayons X sont des ondes électromagnétiques (de même nature que les ondes de lumière mais plus énergétiques) . Ils ont la propriété d’être absorbés par les substances solides. Ils ont la propriété d'être atténués par toutes sortes de substances, y compris les liquides et les gaz. Ils peuvent traverser le corps humain, où ils seront plus ou moins atténués suivant la densité électronique des structures traversées.
Les rayons résiduels (ceux qui auront traversé le corps) provoquent le noircissement du film placé derrière la table de radiographie (technique radiographique traditionnelle). Ainsi, une structure « aérée » comme celle des poumons paraîtra noire. À l’inverse, une structure dense comme les os paraîtra blanche (les rayons X auront tous été absorbés). Il est possible d’opacifier des structures creuses que l’on veut radiographier (appareil digestif, articulation, etc.) en injectant un produit de contraste, opaque aux rayons X, tel que l’iode ou le baryum.
Aujourd’hui, les films radiographiques peuvent être remplacés par des détecteurs électroniques, dont les différents points, stimulés ou non par les rayons résiduels, permettent une numérisation et donc un traitement informatique des images obtenues en radiographie.
Le scanner X permet une modulation si fine de l’irradiation aux rayons X que la zone étudiée peut être comme «découpée en tranches» (d’où l’autre nom du scanner : « tomographie », tomein signifiant « couper » en grec). Couplée à un traitement numérique des données, la mesure du coefficient d’atténuation des rayons X permet alors de restituer une image précise de la zone étudiée.

Les ultrasons
Les ultrasons sont des ondes sonores imperceptibles à l’oreille humaine. Comme toutes les ondes sonores, les ultrasons sont absorbés ou réfléchis par les substances qu’ils rencontrent. Les liquides par exemple les absorbent tous. Ils peuvent être émis par une sonde en direction d’un objet solide à atteindre. Le temps qu’ils mettent à revenir à la sonde qui les a émis (écho) est fonction de la distance à laquelle se trouve l’objet. Dans l’échographie, la mesure de l’écho est analysée par un ordinateur et restituée en temps réel sur l'écran sous forme de points plus ou moins noirs délimitant les différentes structures. En pratique, la sonde est dirigée et "promenée" sur la région à examiner après avoir appliqué un gel ou une pâte afin de permettre la transmission des ultrasons (faute de quoi ils seraient arrêtés par l’air).

La résonance magnétique nucléaire (RMN)

Selon le champ magnétique auquel ils sont soumis, les noyaux de certains des atomes qui composent la matière peuvent entrer « en résonance » : c’est le principe physique de la résonance magnétique nucléaire (RMN). Pour permettre l’enregistrement de ce phénomène, on envoie une onde de radio fréquence courte qui va modifier transitoirement l'orientation des protons qui tournent autour de ces noyaux activés. Lorsque les protons reviennent à leur état initial, ils restituent de l’énergie enregistrable sous forme d’un signal, capté par une antenne réceptrice, puis analysé par de puissants calculateurs. Un traitement informatique permet de construire une image tridimensionnelle, présentée en coupes successives, dont les informations seront variables en fonction de la technique utilisée.
En observant, sous l’effet d’un champ magnétique intense, la résonance des noyaux d’hydrogène, élément présent en abondance dans l’eau et les graisses (80% du corps humain), on peut visualiser la structure anatomique de nombreux tissus (IRM anatomique). On peut suivre également certains aspects du métabolisme ou du fonctionnement des tissus (IRM fonctionnelle). La résonance des noyaux d'hydrogène du sang induite par la présence d'hémoglobine permet par exemple de suivre le trajet du sang dans le cerveau.
Il est enfin possible d’accéder à des informations sur des molécules encore plus complexes et d’étudier le déroulement des réactions biochimiques dans un tissu donné : c’est la spectroscopie par résonance magnétique (SRM).

Les isotopes radioactifs

En introduisant des molécules radioactives dans le corps humain, il est possible de suivre leur trajet au moyen d’une caméra qui détecte leur rayonnement lumineux. Les éléments radioactifs utilisés en médecine sont en général artificiels. Les éléments qui émettent de simples photons (thalium, technetium, indium, iode) sont détectables par des gamma-caméras (à l’origine de la gammagraphie ou scintigraphie ou encore tomographie par émission de simples photons (TEMP ou SPECT). D'autres éléments, produits dans un cyclotron (un accélérateur électromagnétique de haute fréquence), sont émetteurs de positons.
Ces positons sont des particules de matière chargées positivement, qui réagissent avec les électrons du tissu biologique en émettant une énergie lumineuse détectable par une caméra à positons. (tomographie par émission de positons - TEP).