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14   Denis
                                                                                             Mariano-Goulart




Figure 14.1 Observation dans une chambre de Wilson de la matérialisation d’un photon
γ en une paire électron-positon, lors d’une interaction avec des noyaux de plomb. En haut,
trajectoire de l’électron, en bas, du positon. En bas à gauche, coupes de 4 mm en tomo-
graphie par émission de positons révélant des lésions hypermétaboliques du foie. D.R.




Les rayonnements de photons
et de particules en santé
   Ce chapitre précise la nature physique des différents rayon-
nements utilisés en médecine et en sciences de la vie. Il consti-
tue un pré-requis indispensable à la compréhension des inter-
actions de ces rayonnements avec un tissu vivant.
   Par conséquent, ces notions seront utiles dans de nombreux
domaines de la biologie et de la médecine. En particulier, elles
permettront de comprendre comment se forme une image mé-
dicale et quelle information elle contient. Elles seront aussi à
la base de la radiobiologie et de ses applications médicales,
radioprotection et radiothérapie.
   Ces prérequis sont repris lors de l’étude de la physiologie de
la vue.
   Nous étudierons successivement les rayonnements de parti-
cules massiques, puis les rayonnements électromagnétiques
en abordant leur production et leurs inter-
actions avec le vivant.
14 1 Les rayonnements corpusculaires (ou particulaires)
                           s




                           Nous regrouperons sous le terme de rayonnements corpusculaires ou
                        particulaires les rayonnements constitués de particules élémentaires de
                        masse au repos non nulle. Dans le domaine médical, il s’agira essen-
                        tiellement de rayonnements constitués d’électrons, de noyaux d’hélium
                        (particules α), de protons, plus rarement de neutrons. Ces particules
                        peuvent être produites lors de désintégrations radioactives ou au moyen
                        d’accélérateurs. Dans le domaine médical, ces rayonnements possèdent
                        toujours des énergies largement capables d’ioniser des atomes. Leurs
                        modes de production et les interactions avec un tissu biologique seront
                        étudiés dans le chapitre suivant.
                           Nous avons vu précédemment qu’il était nécessaire pour décrire
                        complètement les rayonnements d’associer une description ondulatoire
                        à la description corpusculaire. Nous discuterons pour chaque particule
                        de l’intérêt pratique d’une telle dualité.

                        14 1 1 Les particules chargées
                           s   s


                           Il s’agira essentiellement des particules chargées relativement lourdes
                        (protons, particules, ions lourds) et des particules chargées plus légères
                        (électrons).

                           a) Les particules chargées lourdes
                           Les particules chargées lourdes utilisées en médecine ont des masses
                        de l’ordre de celle d’un nucléon (environ 10–27 kg) et des énergies de
                        l’ordre de la centaine de MeV. Ces valeurs correspondent à des lon-
                                                                     __
᭤   Paragraphe 13.3.1   gueurs d’onde de de Broglie (λ = h ⁄ p = h√(2m E)) de l’ordre du femto-
                        mètre. Les propriétés ondulatoires ne seront donc pas au premier plan.
                           Ces particules présentent deux applications particulièrement impor-
                        tantes dans le domaine médical. Utilisées pour irradier un tissu biolo-
                        gique, elles constituent un outil important en radiothérapie externe
                        (transcutanée). D’autre part, lorsque certaines de ces particules sont
                        accélérées, elles peuvent s’intégrer à un noyau atomique stable pour
                        produire un isotope radioactif qui pourra être utilisé en diagnostic scin-
                        tigraphique ou pour de la radiothérapie métabolique. Lorsque ces
                        rayonnements sont utilisés en irradiation externe, ils ont la propriété
                        d’interagir par mode électrostatique avec les électrons des atomes de la
                        cible, principalement à une profondeur faible mais précise sous la peau.
᭤   Paragraphe 15.22a   Ce mode d’interaction dominant permet donc de transférer une quan-
                        tité importante d’énergie à une tumeur localisée à une faible profondeur
                        sous la peau (quelques micromètres).
                           Les techniques de radiothérapie externe utilisent essentiellement des
                        rayonnements de protons. Dans certains centres très spécialisés (Alle-
                        magne, Japon), on met aussi à profit des rayonnements de hadrons
                        (noyaux atomiques) tels que le C6+, afin d’appliquer en un endroit pré-
                        cis de plus fortes quantités d’énergie à des tumeurs particulièrement ré-



         2
Les rayonnements d’intérêt biomédical

sistantes à la radiothérapie. Ces techniques de
                                                                                      14
                                                             La protonthérapie
hadronthérapie ont montré leur intérêt dans le
traitement de carcinomes adénoïdes kystiques de               L’utilisation de rayonnements de protons se
la sphère ORL, de tumeurs des sinus de la face             justifie essentiellement lorsqu’il est nécessaire
                                                           de transférer une quantité d’énergie impor-
ou de certains sarcomes. Les indications de la             tante à des tumeurs superficielles proches de
hadronthérapie recouvrent aussi celles de la               tissus radiosensibles susceptibles d’être lésés
protonthérapie.                                            par d’autres rayonnements plus diffusants. Ainsi,
                                                           certains centres disposant d’un synchrotron uti-
   b) Les électrons (et positons)                          lisent des rayonnements de protons d’énergie
                                                           de l’ordre de 200 MeV pour traiter certaines tu-
   Les rayonnements d’électrons sont utilisés en           meurs oculaires (mélanomes de la choroïde) ou
routine thérapeutique dans le cadre de radiothé-           de la base du crâne (chordomes, chondrosar-
rapies. Les énergies mises en jeu varient de               comes). Des essais thérapeutiques ont été éga-
quelques dizaines de keV à quelques dizaines               lement réalisés avec succès dans certains cas
de MeV au maximum. Des faisceaux externes                  d’angiomes cérébraux inaccessibles à la chirur-
                                                           gie ou de petits adénomes hypophysaires. Au-
d’électrons peuvent ainsi être utilisés pour dépo-
                                                           delà de ces utilisations en radiothérapie, des
ser à quelques millimètres sous la peau une dose           faisceaux de protons accélérés au moyen de
d’énergie importante. Ils permettent donc d’irra-          cyclotrons jusqu’à une énergie de 10 MeV per-
dier par voie transcutanée des tumeurs moins               mettent également de fabriquer des radio-
superficielles que celles pouvant bénéficier d’une           éléments artificiels tels que les isotopes émet-
                                                           teurs de positons (cf. § 15.2.1a).
irradiation par particules chargées lourdes. Lors-
qu’ils proviennent d’isotopes radioactifs fixés sur
une masse tumorale ou hypermétabolique, ils peuvent permettre d’obte-
nir une irradiation sélective de la masse en épargnant les tissus sains envi-
ronnants (radiothérapie métabolique).

14 1 2 Les particules non chargées
   s   s


   Dans le domaine médical, nous n’aurons à considérer que les rayon-
nements de neutrons. Sans charge électrique, un faisceau de neutrons sera
un excellent moyen pour incorporer des neutrons dans des noyaux ou
pour observer des collisions avec ceux-ci. Compte tenu du volume très
limité du noyau au sein de l’atome, ces chocs seront cependant peu fré-
quents, ce qui explique qu’un faisceau de neutrons pourra pénétrer pro-
fondément au sein d’un organisme. L’interaction
neutron-matière pourra cependant augmenter si-               La BNTC
gnificativement si la longueur d’onde de de Bro-              Des essais cliniques sont en cours pour éva-
glie associée aux neutrons est de l’ordre des di-         luer l’intérêt des neutrons thermiques dans le
mensions de l’atome (10–10 m). Compte tenu de             traitement de certains cancers (glioblastome
la relation de de Broglie__ des particules non
                                pour                      multiforme par exemple). La BNTC (boron neu-
relativistes, λ = h / p = h ⁄ √ 2m E, cela aura lieu pour tron capture therapy) consiste à bombarder par
                                                          des neutrons thermiques une tumeur enrichie
des énergies relativement faibles, inférieures à 1
                                                          par un composé à base de bore. Les neutrons
eV. De tels neutrons seront qualifiés de neutrons          s’incorporent aux noyaux de bore, provoquant
thermiques, car ayant des énergies cinétiques de          la désintégration de ces noyaux en particules α
l’ordre de celle donnée par l’agitation thermique.        et en isotopes du lithium dont l’énergie
Les neutrons de plus de 0,8 MeV sont appelés              (2,5 MeV) permet d’apporter une irradiation
                                                          extrêmement localisée, de l’ordre de 10 µm
neutrons rapides. Entre 1 eV et 0,8 MeV, on par-
                                                          de portée.
lera de neutrons épithermiques.



                                                                                              3
14 2 Les ondes électromagnétiques
                           s




                        14 2 1 Nature corpusculaire, ondulatoire et propagation
                           s   s


                           D’un point de vue ondulatoire, la notion d’onde électromagnétique
                        est une conséquence de l’unification de l’électricité et du magnétisme
                        élaboré par James Clerk Maxwell vers 1865. Ce dernier fut le premier
                        à énoncer les quatre équations différentielles qui décrivent la propaga-
                        tion d’ondes électromagnétiques. L’existence de telles ondes fut confir-
                        mée expérimentalement par Heinrich Hertz en 1887.
                           De la théorie de Maxwell, il résulte qu’une onde électromagnétique
                        est la propagation (dans un milieu matériel ou dans le vide) d’un champ
                        électrique et d’un champ magnétique associés, perpendiculaires entre
                        eux et à la direction de propagation.
                           Dans le vide, ces deux champs indissociables l’un de l’autre se dépla-
                        cent à la célérité c ≈ 3 · 108 m · s–1, la vitesse de la lumière dans le vide.
                        Cette constante est liée à deux autres caractéristiques du vide, sa per-
                        mittivité électrique ε0 et sa perméabilité magnétique µ0 suivant la rela-
                        tion : ε0 µ0 c2 = 1, où ε0 = 8,854 · 10–12 C2 · J–1 · m–1 et µ0 = 1,257 · 10–6
                        = 4π · 10–7 V · s · A–1 · m–1.
                           Lorsque l’on s’intéresse à une onde électromagnétique se déplaçant
                        dans un milieu matériel, la célérité cn dans ce milieu s’exprime au moyen
                        de la même relation ε µ cn2 = 1, mais en faisant intervenir la permittivité
                        électrique ε = εr ε0 et la perméabilité magnétique µ = µr µ0 de ce milieu
                        matériel particulier. Les coefficients multiplicatifs εr et µr sont la per-
                        mittivité électrique relative et la perméabilité magnétique relative du
                        milieu matériel de propagation. On a donc :

᭤   Paragraphe 14.3.3                              cn = 1 = __1 __ = n
                                                        __             c
                                                       √εµ √εrµr √ε0µ0
                                __
                        où n = √εrµr sera appelé indice de réfraction du milieu. Cet indice est
                        supérieur ou égal à 1. L’indice de réfraction est égal à 1 dans le vide et
                        très proche de cette valeur dans de l’air. Il est de l’ordre de 4⁄3 dans l’eau
                        et de 1,6 dans le verre.
                                  Une des conséquences des équations de Maxwell est que les champs
                               électrique et magnétique d’une onde électromagnétique sont liés par
                                           ៮៬ _ ៮៬ ៮៬
                               la relation B = 1 u ∧ E : ces deux champs sont donc à tout instant perpen-
                                               c
                               diculaires entre eux et leur plan est lui-même perpendiculaire à la direc-
                                                      ៮៬
                               tion de propagation u. On parlera donc d’ondes vectorielles transversales.
                               Lorsque la direction du vecteur champ électrique (et donc du vecteur
                               champ magnétique) est constante, on dira que l’onde possède une polari-
                               sation rectiligne ou linéaire. Si ces champs possèdent une direction qui
                               tourne à vitesse angulaire constante autour de la direction de propaga-
                               tion, on parlera de polarisation circulaire ou elliptique.
                          Lorsque l’intensité des champs électrique et magnétique varie avec le
                        temps de façon sinusoïdale (c’est-à-dire que leur variation de norme



         4
Les rayonnements d’intérêt biomédical

peut être modélisée au moyen d’une fonction sinus, d’une fonction cosi-
                                                                                      14
nus ou plus généralement d’une exponentielle complexe du type eiωt),
on parlera d’onde électromagnétique pure ou, ce qui est synonyme,
d’onde monochromatique (cf. fig. 14.2).
                                                                                  Figure 14.2
                 y
                                                                                  Illustration d’une onde
                     E(t) = E0                                                    électromagnétique
                                                                                  sinusoïdale polarisée
                                                                                  linéairement suivant l’axe
                                                                                  (Oy) et se propageant
                                                                                  dans la direction (Ox)
                                                                                  d’un milieu de propagation
                O                                                                 d’indice de réfraction n.
                                 c ⁄n                                             Ce schéma ne tient pas
   z                                                                              compte des intensités
                                                                                  relatives des champs
   B(t) = B0
                                                                                  électrique et magnétique.
                                                                           x




  Conformément aux résultats de la mécanique quantique, une parti-                ᭤   Paragraphe 13.3.2b
cule est associée à la propagation d’une onde électromagnétique. Cette
particule se déplace avec l’onde à une vitesse c dans le vide et elle pré-
sente une masse au repos nulle. Elle est appelée photon. Chaque photon
associé à une onde électromagnétique pure de fréquence ν transporte
une énergie égale au quantum d’énergie E :

                      E = h c = h ν (relation de Planck)
                           λ
où h est la constante de Planck (h = 6,62 · 10–34 J · s) et c la célérité de la
lumière dans le vide. Cette relation peut se démontrer, par exemple, à
partir des équations de Maxwell et des hypothèses de la mécanique
quantique.
   Dans le domaine médical, il est souvent pratique de calculer en
électronvolts l’énergie transportée par les photons associés à la propa-
gation d’une radiation électromagnétique. En exprimant la longueur
d’onde en nanomètres, on obtient l’expression suivante, qui n’est
qu’une application numérique de la précédente mais permet de faire des
calculs approchés de façon commode :

                                 E(eV) ≈ 1240
                                        λ(nm)
   Un rayonnement électromagnétique est donc associé à un faisceau de
photons. Dans le cas d’un rayonnement monochromatique, les photons
ont tous la même énergie. Au contraire, un rayonnement polychroma-
tique est constitué de photons d’énergies différentes. Il est capital, en



                                                                                            5
médecine en particulier, de pouvoir caractériser qualitativement et
                              quantitativement les énergies des photons qui constituent un rayonne-
                              ment électromagnétique. Dans ce but, on utilise un graphe appelé
                              spectre de rayonnement où l’on reporte, pour chaque fréquence ν de
                              photon (ou pour chaque énergie de photon, ou pour chaque longueur
                              d’onde), la proportion de photons de fréquence ν présents dans ce
                              rayonnement. D’un point de vue pratique, le spectre d’un rayonnement
                              électromagnétique caractérise donc sa composition.
                                 Un rayonnement monochromatique ne comporte qu’une seule raie
                              correspondant à la fréquence (unique) des photons qui le constituent.
                              Un spectre comprenant un nombre fini de raies caractérisera un fais-
                              ceau constitué d’un nombre fini de fréquences de photons ν1, ν2, …, νn.
                              Dans ce cas, les champs électrique et magnétique varient dans le temps
                              suivant une fonction complexe obtenue en superposant (addition-
                              nant) des fonctions sinus et cosinus de fréquences correspondantes
                              ν1, ν2, …, νn.
               Figure 14.3
   Exemples d’un spectre             N                                   dN ⁄ dν
        de raies (constitué
     de deux populations
de photons de fréquences         N1
    différentes, à gauche)
            et d’un spectre
        continu (à droite).      N2


                                         1    2                                    min   max



                                 Enfin, il existe des situations où une onde électromagnétique cor-
                              respondra à un faisceau de photons possédant de façon continue toutes
                              les énergies possibles entre une énergie minimale h νmin et une énergie
                              maximale h νmax (cf. fig. 14.3). On parle alors de spectre continu. Le cha-
                              pitre suivant fournira de nombreuses occasions d’utiliser ces différentes
                              catégories de spectres.

                              14 2 2 La gamme des fréquences et leurs utilisations
                                 s   s


                                 Les énergies observables pour un photon recouvrent une plage excep-
                              tionnellement étendue, variant du pico- au téraélectronvolt (10–12 à
                              1012 eV). Cette très large gamme d’énergies correspond à des fréquences
                              variant de l’hectohertz à la centaine de yottahertz (102 à 1026 Hz), à des
                              longueurs d’onde variant du millier de kilomètres au millième de fem-
                              tomètre (106 à 10–18 m), et à des domaines d’utilisation variés (rayon-
                              nements X et γ, lumière ultraviolette, visible et infrarouge, micro-
                              ondes, ondes hertziennes). Tous ces domaines de la physique relèvent
                              de la même théorie électromagnétique et ne diffèrent que par la fré-
                              quence des ondes impliquées (cf. fig. 14.4).
                                 L’énergie de liaison d’un électron atomique est de 13,6 eV pour l’élec-
᭤   Chapitre 13               tron d’un atome d’hydrogène dans son état fondamental. Elle est du



          6
Les rayonnements d’intérêt biomédical

même ordre pour les électrons des orbitales moléculaires covalentes de
                                                                                     14
l’oxygène, de l’azote, de H2O, c’est-à-dire de l’air ou de l’eau. Pour des
atomes plus massifs et pour différentes couches
électroniques, cette énergie peut passer de ces
quelques électronvolts à un peu plus d’une cen-           Rayonnements et risques biologiques
taine de keV. En transférant une énergie de cet           Quiconque se destine à une profession mé-
ordre à un électron sur son orbite, il est donc        dicale doit assimiler un élément essentiel : le
possible de l’ioniser, c’est-à-dire de le soustraire   principal risque qu’un rayonnement électro-
au potentiel électrostatique du noyau. Selon cer-      magnétique puisse faire courir à un sujet qui y
                                                       est exposé est d’ioniser certains de ses atomes
tains mécanismes, cette énergie peut être appor-       ou molécules.
tée par un photon, c’est-à-dire par une radiation         On sait en effet qu’une telle ionisation peut
électromagnétique (cf. § 15.3.2).                      rompre les liaisons covalentes des molécules
   Dans cette situation, une partie seulement de       biologiques, donc les dénaturer. Lorsque cette
l’énergie globale des photons incidents sera           rupture de liaison covalente a lieu sur une mo-
                                                       lécule porteuse d’information comme une mo-
réellement utilisée pour ioniser des atomes ou des
                                                       lécule d’ADN, elle peut, dans certaines situa-
molécules. En effet, une partie de l’énergie de ces    tions, occasionner des erreurs non réparées au
photons est transmise aux molécules irradiées          sein du génome, erreurs pouvant être à l’ori-
sous forme de différents modes d’excitation et de      gine de pathologies cancéreuses ou de muta-
chaleur. On peut mesurer qu’en moyenne l’éner-         tions. Une seule particule, ou un seul
                                                       photon, est suffisant pour ioniser un atome au
gie nécessaire pour produire une ionisation est
                                                       sein d’une molécule.
de l’ordre de 32 eV dans l’eau et 34 eV dans l’air.

   a) Les rayonnements ionisants
                                                          Rayonnements ionisants et non ionisants
   Dans le cadre des rayonnements électroma-
gnétiques utilisés, le caractère ionisant concerne,       Par convention, le seuil d’ionisation de 13,6 eV
par ordre d’énergie décroissante, les rayonne-         permet de classer les radiations électromagné-
                                                       tiques en deux catégories principales.
ments X et γ et les rayonnements ultraviolets.            Les photons d’énergie supérieure à ce seuil
   Rayonnements X et γ recouvrent à peu de             sont qualifiés de rayonnements ionisants. Ceux
chose près la même gamme d’énergie et ne se dif-       de moindre énergie sont qualifiés de rayonne-
férencient que par leur origine. Les rayons X          ments non ionisants.
sont produits de différentes façons par des phé-          Cette distinction est essentielle car elle per-
                                                       met de différencier les photons non ionisants
nomènes physiques qui mettent en jeu le nuage          de ceux, ionisants, susceptibles de briser des
électronique d’atomes ou le voisinage de noyaux        liaisons covalentes, donc de dénaturer des mo-
atomiques. Les rayons γ proviennent soit direc-        lécules biologiques et d’entraîner des patholo-
tement du noyau de certains atomes, soit secon-        gies variées. Une radiation sera donc considé-
dairement de l’annihilation d’antiparticules pro-      rée comme ionisante dès qu’elle implique des
                                                       photons d’énergie supérieure au seuil, soit en-
duites par des noyaux atomiques (annihilation
                                                       core dès que la fréquence de l’onde électro-
électron-positon en particulier). Ces rayonne-         magnétique dépasse 3 · 106 GHz ou que sa lon-
ments présentent des énergies très variables qui       gueur d’onde est inférieure à une centaine de
s’étendent de la centaine d’électronvolts à des        nanomètres environ.
valeurs dépassant le million d’électronvolts.
Dans le domaine médical, les rayonnements X
sont utilisés en radiothérapie transcutanée, lorsque le tissu à irradier
n’est pas superficiel. En imagerie radiologique, ils permettent d’obtenir
des images de la densité des tissus traversés. Les isotopes émetteurs de
rayonnements γ sont mis à profit lors d’examens scintigraphiques des-



                                                                                            7
Figure 14.4
    Panorama des ondes                         longueur
     électromagnétiques.                                      fréquence            énergie
                                                d’onde
    (D’après A. Duchêne                                          (Hz)               (eV)
                                                  (m)
     et J. Joussot-Dubien,                   10–18        3 . 1026        1,24 . 1012
   les Effets biologiques
      des rayonnements

                              rayonnement
                                                                                                                 rayon X


                                ionisant
            non ionisants,                                                                   radiothérapie
Flammarion médecine-                         10–14        3 . 1022         1,24 . 108
          Sciences, 2001.                                                                                                  rayonnement
                                                                                         rayon     radiodiagnostic         cosmique
                                             10–10        3 . 1018         1,24 . 104

                                                                                13,6     ultraviolet                          covalence
                                                                                                       visible
                                             10–6         3 . 1014              1,24                                 lasers
                                                                                         infrarouge

                                                          3 . 1010        1,24 . 10–4              micro-ondes,
                              rayonnement




                                             10–2
                              non ionisant




                                                                                                   radar
                                                1          3 . 108        1,24 . 10–6

                                              102          3 . 106        1,24 . 10–8                  TV,
                                                                                             IRM       ondes courtes,      hertzien
                                                                                                       téléphone

                                                                                         fréquence audio
                                              106          3 . 102        1,24 . 10–12
                                                                                         (réseau électrique 50Hz)



                             tinés à produire une image du fonctionnement d’un organe. Dans cer-
                             tains centres très spécialisés en radiochirurgie, des rayonnements γ
                             externes sont utilisés pour le traitement radiothérapique de tumeurs cé-
                             rébrales ou malformations artérioveineuses inopérables (gamma knife).
                                Par définition, les rayonnements ultraviolets concernent des longueurs
                             d’onde s’échelonnant entre 400 nm (limite inférieure du rayonnement
                             bleu visible par un être humain) et 10 nm. Il s’agit donc de photons
                             d’énergies comprises entre 3 eV et 124 eV. Ils chevauchent la limite entre
                             rayonnements ionisants et non ionisants. Découverts par Johann Wilhelm
                             Ritter en 1801 lors de réactions chimiques, ils peuvent être produits au
                             moyen de matériaux excités par une source d’énergie (arc électrique,
                             lampe à vapeur de mercure) ou de lasers. Les radiations ultraviolettes
                             sont utilisées par exemple en dermatologie (traitement du psoriasis),
                             mais peuvent aussi être pathogènes (cancers cutanés).

                                b) Les rayonnements non ionisants
                                Les rayonnements non ionisants recouvrent une gamme étendue de
                             rayonnements électromagnétiques qui vont de l’ultraviolet proche du
                             visible aux ondes hertziennes, en passant par le visible, les infrarouges
                             et les micro-ondes.
                                Le rayonnement visible (pour un être humain) concerne une bande
                             étroite de longueurs d’onde situées entre 400 et 760 nm. Ceci cor-
                             respond à des photons de 1 à 3 eV environ. Chaque longueur d’onde



        8
Les rayonnements d’intérêt biomédical

est associée par le cerveau humain à une couleur donnée du spectre
                                                                               14
visible, du bleu au rouge en passant par le vert, le jaune et l’orange, sui-
vant l’ordre observable dans un arc-en-ciel.
   Le rayonnement infrarouge est caractérisé par des longueurs d’onde
qui s’étalent de la limite supérieure des longueurs d’onde visibles, soit
0,76 mm (couleur rouge), jusqu’à quelques millimètres. Ce rayonnement
fut découvert en 1800 par William Herschel et est généralement produit
par des sources de chaleur, plus rarement par des lasers. En médecine, il
a été testé en diagnostic pour détecter une augmentation locale de cha-
leur pouvant orienter vers une pathologie tumorale (thermographie
infrarouge), et en thérapeutique pour donner un effet thermique anti-
inflammatoire.
   Le rayonnement micro-onde (ou hyperfréquence) correspond à des
longueurs d’onde évoluant entre quelques millimètres et un mètre.
Lorsqu’il traverse un matériau, ce rayonnement électromagnétique de
fréquence relativement élevée (GHz) peut transférer une partie de son
énergie par effet Joule et provoquer ainsi un échauffement rapide qui
dépend de la nature du matériau où a lieu la dissipation de l’énergie.
Dans le domaine médical, le rayonnement micro-onde a lui aussi fait
l’objet d’études en thermographie.
   Enfin, les rayonnements hertziens présentent des longueurs d’onde
qui peuvent varier du mètre au kilomètre et constituent le domaine des
ondes radio (radiophonie, télévision, téléphonie, etc.). Elles permettent,
depuis les premières expériences de Guglielmo Marconi en 1897, de
transmettre des informations sur de longues distances. Naturellement,
l’énergie des photons qui les constituent est très largement insuffisante
(E Ͻ 1 µeV) pour provoquer la moindre pathologie secondaire à un
phénomène d’ionisation. Dans la pratique médicale courante, elles sont
utilisées pour les études de résonance magnétique nucléaire, tant en
imagerie qu’en spectroscopie.




                                                                               9

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  • 1. 14 Denis Mariano-Goulart Figure 14.1 Observation dans une chambre de Wilson de la matérialisation d’un photon γ en une paire électron-positon, lors d’une interaction avec des noyaux de plomb. En haut, trajectoire de l’électron, en bas, du positon. En bas à gauche, coupes de 4 mm en tomo- graphie par émission de positons révélant des lésions hypermétaboliques du foie. D.R. Les rayonnements de photons et de particules en santé Ce chapitre précise la nature physique des différents rayon- nements utilisés en médecine et en sciences de la vie. Il consti- tue un pré-requis indispensable à la compréhension des inter- actions de ces rayonnements avec un tissu vivant. Par conséquent, ces notions seront utiles dans de nombreux domaines de la biologie et de la médecine. En particulier, elles permettront de comprendre comment se forme une image mé- dicale et quelle information elle contient. Elles seront aussi à la base de la radiobiologie et de ses applications médicales, radioprotection et radiothérapie. Ces prérequis sont repris lors de l’étude de la physiologie de la vue. Nous étudierons successivement les rayonnements de parti- cules massiques, puis les rayonnements électromagnétiques en abordant leur production et leurs inter- actions avec le vivant.
  • 2. 14 1 Les rayonnements corpusculaires (ou particulaires) s Nous regrouperons sous le terme de rayonnements corpusculaires ou particulaires les rayonnements constitués de particules élémentaires de masse au repos non nulle. Dans le domaine médical, il s’agira essen- tiellement de rayonnements constitués d’électrons, de noyaux d’hélium (particules α), de protons, plus rarement de neutrons. Ces particules peuvent être produites lors de désintégrations radioactives ou au moyen d’accélérateurs. Dans le domaine médical, ces rayonnements possèdent toujours des énergies largement capables d’ioniser des atomes. Leurs modes de production et les interactions avec un tissu biologique seront étudiés dans le chapitre suivant. Nous avons vu précédemment qu’il était nécessaire pour décrire complètement les rayonnements d’associer une description ondulatoire à la description corpusculaire. Nous discuterons pour chaque particule de l’intérêt pratique d’une telle dualité. 14 1 1 Les particules chargées s s Il s’agira essentiellement des particules chargées relativement lourdes (protons, particules, ions lourds) et des particules chargées plus légères (électrons). a) Les particules chargées lourdes Les particules chargées lourdes utilisées en médecine ont des masses de l’ordre de celle d’un nucléon (environ 10–27 kg) et des énergies de l’ordre de la centaine de MeV. Ces valeurs correspondent à des lon- __ ᭤ Paragraphe 13.3.1 gueurs d’onde de de Broglie (λ = h ⁄ p = h√(2m E)) de l’ordre du femto- mètre. Les propriétés ondulatoires ne seront donc pas au premier plan. Ces particules présentent deux applications particulièrement impor- tantes dans le domaine médical. Utilisées pour irradier un tissu biolo- gique, elles constituent un outil important en radiothérapie externe (transcutanée). D’autre part, lorsque certaines de ces particules sont accélérées, elles peuvent s’intégrer à un noyau atomique stable pour produire un isotope radioactif qui pourra être utilisé en diagnostic scin- tigraphique ou pour de la radiothérapie métabolique. Lorsque ces rayonnements sont utilisés en irradiation externe, ils ont la propriété d’interagir par mode électrostatique avec les électrons des atomes de la cible, principalement à une profondeur faible mais précise sous la peau. ᭤ Paragraphe 15.22a Ce mode d’interaction dominant permet donc de transférer une quan- tité importante d’énergie à une tumeur localisée à une faible profondeur sous la peau (quelques micromètres). Les techniques de radiothérapie externe utilisent essentiellement des rayonnements de protons. Dans certains centres très spécialisés (Alle- magne, Japon), on met aussi à profit des rayonnements de hadrons (noyaux atomiques) tels que le C6+, afin d’appliquer en un endroit pré- cis de plus fortes quantités d’énergie à des tumeurs particulièrement ré- 2
  • 3. Les rayonnements d’intérêt biomédical sistantes à la radiothérapie. Ces techniques de 14 La protonthérapie hadronthérapie ont montré leur intérêt dans le traitement de carcinomes adénoïdes kystiques de L’utilisation de rayonnements de protons se la sphère ORL, de tumeurs des sinus de la face justifie essentiellement lorsqu’il est nécessaire de transférer une quantité d’énergie impor- ou de certains sarcomes. Les indications de la tante à des tumeurs superficielles proches de hadronthérapie recouvrent aussi celles de la tissus radiosensibles susceptibles d’être lésés protonthérapie. par d’autres rayonnements plus diffusants. Ainsi, certains centres disposant d’un synchrotron uti- b) Les électrons (et positons) lisent des rayonnements de protons d’énergie de l’ordre de 200 MeV pour traiter certaines tu- Les rayonnements d’électrons sont utilisés en meurs oculaires (mélanomes de la choroïde) ou routine thérapeutique dans le cadre de radiothé- de la base du crâne (chordomes, chondrosar- rapies. Les énergies mises en jeu varient de comes). Des essais thérapeutiques ont été éga- quelques dizaines de keV à quelques dizaines lement réalisés avec succès dans certains cas de MeV au maximum. Des faisceaux externes d’angiomes cérébraux inaccessibles à la chirur- gie ou de petits adénomes hypophysaires. Au- d’électrons peuvent ainsi être utilisés pour dépo- delà de ces utilisations en radiothérapie, des ser à quelques millimètres sous la peau une dose faisceaux de protons accélérés au moyen de d’énergie importante. Ils permettent donc d’irra- cyclotrons jusqu’à une énergie de 10 MeV per- dier par voie transcutanée des tumeurs moins mettent également de fabriquer des radio- superficielles que celles pouvant bénéficier d’une éléments artificiels tels que les isotopes émet- teurs de positons (cf. § 15.2.1a). irradiation par particules chargées lourdes. Lors- qu’ils proviennent d’isotopes radioactifs fixés sur une masse tumorale ou hypermétabolique, ils peuvent permettre d’obte- nir une irradiation sélective de la masse en épargnant les tissus sains envi- ronnants (radiothérapie métabolique). 14 1 2 Les particules non chargées s s Dans le domaine médical, nous n’aurons à considérer que les rayon- nements de neutrons. Sans charge électrique, un faisceau de neutrons sera un excellent moyen pour incorporer des neutrons dans des noyaux ou pour observer des collisions avec ceux-ci. Compte tenu du volume très limité du noyau au sein de l’atome, ces chocs seront cependant peu fré- quents, ce qui explique qu’un faisceau de neutrons pourra pénétrer pro- fondément au sein d’un organisme. L’interaction neutron-matière pourra cependant augmenter si- La BNTC gnificativement si la longueur d’onde de de Bro- Des essais cliniques sont en cours pour éva- glie associée aux neutrons est de l’ordre des di- luer l’intérêt des neutrons thermiques dans le mensions de l’atome (10–10 m). Compte tenu de traitement de certains cancers (glioblastome la relation de de Broglie__ des particules non pour multiforme par exemple). La BNTC (boron neu- relativistes, λ = h / p = h ⁄ √ 2m E, cela aura lieu pour tron capture therapy) consiste à bombarder par des neutrons thermiques une tumeur enrichie des énergies relativement faibles, inférieures à 1 par un composé à base de bore. Les neutrons eV. De tels neutrons seront qualifiés de neutrons s’incorporent aux noyaux de bore, provoquant thermiques, car ayant des énergies cinétiques de la désintégration de ces noyaux en particules α l’ordre de celle donnée par l’agitation thermique. et en isotopes du lithium dont l’énergie Les neutrons de plus de 0,8 MeV sont appelés (2,5 MeV) permet d’apporter une irradiation extrêmement localisée, de l’ordre de 10 µm neutrons rapides. Entre 1 eV et 0,8 MeV, on par- de portée. lera de neutrons épithermiques. 3
  • 4. 14 2 Les ondes électromagnétiques s 14 2 1 Nature corpusculaire, ondulatoire et propagation s s D’un point de vue ondulatoire, la notion d’onde électromagnétique est une conséquence de l’unification de l’électricité et du magnétisme élaboré par James Clerk Maxwell vers 1865. Ce dernier fut le premier à énoncer les quatre équations différentielles qui décrivent la propaga- tion d’ondes électromagnétiques. L’existence de telles ondes fut confir- mée expérimentalement par Heinrich Hertz en 1887. De la théorie de Maxwell, il résulte qu’une onde électromagnétique est la propagation (dans un milieu matériel ou dans le vide) d’un champ électrique et d’un champ magnétique associés, perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation. Dans le vide, ces deux champs indissociables l’un de l’autre se dépla- cent à la célérité c ≈ 3 · 108 m · s–1, la vitesse de la lumière dans le vide. Cette constante est liée à deux autres caractéristiques du vide, sa per- mittivité électrique ε0 et sa perméabilité magnétique µ0 suivant la rela- tion : ε0 µ0 c2 = 1, où ε0 = 8,854 · 10–12 C2 · J–1 · m–1 et µ0 = 1,257 · 10–6 = 4π · 10–7 V · s · A–1 · m–1. Lorsque l’on s’intéresse à une onde électromagnétique se déplaçant dans un milieu matériel, la célérité cn dans ce milieu s’exprime au moyen de la même relation ε µ cn2 = 1, mais en faisant intervenir la permittivité électrique ε = εr ε0 et la perméabilité magnétique µ = µr µ0 de ce milieu matériel particulier. Les coefficients multiplicatifs εr et µr sont la per- mittivité électrique relative et la perméabilité magnétique relative du milieu matériel de propagation. On a donc : ᭤ Paragraphe 14.3.3 cn = 1 = __1 __ = n __ c √εµ √εrµr √ε0µ0 __ où n = √εrµr sera appelé indice de réfraction du milieu. Cet indice est supérieur ou égal à 1. L’indice de réfraction est égal à 1 dans le vide et très proche de cette valeur dans de l’air. Il est de l’ordre de 4⁄3 dans l’eau et de 1,6 dans le verre. Une des conséquences des équations de Maxwell est que les champs électrique et magnétique d’une onde électromagnétique sont liés par ៮៬ _ ៮៬ ៮៬ la relation B = 1 u ∧ E : ces deux champs sont donc à tout instant perpen- c diculaires entre eux et leur plan est lui-même perpendiculaire à la direc- ៮៬ tion de propagation u. On parlera donc d’ondes vectorielles transversales. Lorsque la direction du vecteur champ électrique (et donc du vecteur champ magnétique) est constante, on dira que l’onde possède une polari- sation rectiligne ou linéaire. Si ces champs possèdent une direction qui tourne à vitesse angulaire constante autour de la direction de propaga- tion, on parlera de polarisation circulaire ou elliptique. Lorsque l’intensité des champs électrique et magnétique varie avec le temps de façon sinusoïdale (c’est-à-dire que leur variation de norme 4
  • 5. Les rayonnements d’intérêt biomédical peut être modélisée au moyen d’une fonction sinus, d’une fonction cosi- 14 nus ou plus généralement d’une exponentielle complexe du type eiωt), on parlera d’onde électromagnétique pure ou, ce qui est synonyme, d’onde monochromatique (cf. fig. 14.2). Figure 14.2 y Illustration d’une onde E(t) = E0 électromagnétique sinusoïdale polarisée linéairement suivant l’axe (Oy) et se propageant dans la direction (Ox) d’un milieu de propagation O d’indice de réfraction n. c ⁄n Ce schéma ne tient pas z compte des intensités relatives des champs B(t) = B0 électrique et magnétique. x Conformément aux résultats de la mécanique quantique, une parti- ᭤ Paragraphe 13.3.2b cule est associée à la propagation d’une onde électromagnétique. Cette particule se déplace avec l’onde à une vitesse c dans le vide et elle pré- sente une masse au repos nulle. Elle est appelée photon. Chaque photon associé à une onde électromagnétique pure de fréquence ν transporte une énergie égale au quantum d’énergie E : E = h c = h ν (relation de Planck) λ où h est la constante de Planck (h = 6,62 · 10–34 J · s) et c la célérité de la lumière dans le vide. Cette relation peut se démontrer, par exemple, à partir des équations de Maxwell et des hypothèses de la mécanique quantique. Dans le domaine médical, il est souvent pratique de calculer en électronvolts l’énergie transportée par les photons associés à la propa- gation d’une radiation électromagnétique. En exprimant la longueur d’onde en nanomètres, on obtient l’expression suivante, qui n’est qu’une application numérique de la précédente mais permet de faire des calculs approchés de façon commode : E(eV) ≈ 1240 λ(nm) Un rayonnement électromagnétique est donc associé à un faisceau de photons. Dans le cas d’un rayonnement monochromatique, les photons ont tous la même énergie. Au contraire, un rayonnement polychroma- tique est constitué de photons d’énergies différentes. Il est capital, en 5
  • 6. médecine en particulier, de pouvoir caractériser qualitativement et quantitativement les énergies des photons qui constituent un rayonne- ment électromagnétique. Dans ce but, on utilise un graphe appelé spectre de rayonnement où l’on reporte, pour chaque fréquence ν de photon (ou pour chaque énergie de photon, ou pour chaque longueur d’onde), la proportion de photons de fréquence ν présents dans ce rayonnement. D’un point de vue pratique, le spectre d’un rayonnement électromagnétique caractérise donc sa composition. Un rayonnement monochromatique ne comporte qu’une seule raie correspondant à la fréquence (unique) des photons qui le constituent. Un spectre comprenant un nombre fini de raies caractérisera un fais- ceau constitué d’un nombre fini de fréquences de photons ν1, ν2, …, νn. Dans ce cas, les champs électrique et magnétique varient dans le temps suivant une fonction complexe obtenue en superposant (addition- nant) des fonctions sinus et cosinus de fréquences correspondantes ν1, ν2, …, νn. Figure 14.3 Exemples d’un spectre N dN ⁄ dν de raies (constitué de deux populations de photons de fréquences N1 différentes, à gauche) et d’un spectre continu (à droite). N2 1 2 min max Enfin, il existe des situations où une onde électromagnétique cor- respondra à un faisceau de photons possédant de façon continue toutes les énergies possibles entre une énergie minimale h νmin et une énergie maximale h νmax (cf. fig. 14.3). On parle alors de spectre continu. Le cha- pitre suivant fournira de nombreuses occasions d’utiliser ces différentes catégories de spectres. 14 2 2 La gamme des fréquences et leurs utilisations s s Les énergies observables pour un photon recouvrent une plage excep- tionnellement étendue, variant du pico- au téraélectronvolt (10–12 à 1012 eV). Cette très large gamme d’énergies correspond à des fréquences variant de l’hectohertz à la centaine de yottahertz (102 à 1026 Hz), à des longueurs d’onde variant du millier de kilomètres au millième de fem- tomètre (106 à 10–18 m), et à des domaines d’utilisation variés (rayon- nements X et γ, lumière ultraviolette, visible et infrarouge, micro- ondes, ondes hertziennes). Tous ces domaines de la physique relèvent de la même théorie électromagnétique et ne diffèrent que par la fré- quence des ondes impliquées (cf. fig. 14.4). L’énergie de liaison d’un électron atomique est de 13,6 eV pour l’élec- ᭤ Chapitre 13 tron d’un atome d’hydrogène dans son état fondamental. Elle est du 6
  • 7. Les rayonnements d’intérêt biomédical même ordre pour les électrons des orbitales moléculaires covalentes de 14 l’oxygène, de l’azote, de H2O, c’est-à-dire de l’air ou de l’eau. Pour des atomes plus massifs et pour différentes couches électroniques, cette énergie peut passer de ces quelques électronvolts à un peu plus d’une cen- Rayonnements et risques biologiques taine de keV. En transférant une énergie de cet Quiconque se destine à une profession mé- ordre à un électron sur son orbite, il est donc dicale doit assimiler un élément essentiel : le possible de l’ioniser, c’est-à-dire de le soustraire principal risque qu’un rayonnement électro- au potentiel électrostatique du noyau. Selon cer- magnétique puisse faire courir à un sujet qui y est exposé est d’ioniser certains de ses atomes tains mécanismes, cette énergie peut être appor- ou molécules. tée par un photon, c’est-à-dire par une radiation On sait en effet qu’une telle ionisation peut électromagnétique (cf. § 15.3.2). rompre les liaisons covalentes des molécules Dans cette situation, une partie seulement de biologiques, donc les dénaturer. Lorsque cette l’énergie globale des photons incidents sera rupture de liaison covalente a lieu sur une mo- lécule porteuse d’information comme une mo- réellement utilisée pour ioniser des atomes ou des lécule d’ADN, elle peut, dans certaines situa- molécules. En effet, une partie de l’énergie de ces tions, occasionner des erreurs non réparées au photons est transmise aux molécules irradiées sein du génome, erreurs pouvant être à l’ori- sous forme de différents modes d’excitation et de gine de pathologies cancéreuses ou de muta- chaleur. On peut mesurer qu’en moyenne l’éner- tions. Une seule particule, ou un seul photon, est suffisant pour ioniser un atome au gie nécessaire pour produire une ionisation est sein d’une molécule. de l’ordre de 32 eV dans l’eau et 34 eV dans l’air. a) Les rayonnements ionisants Rayonnements ionisants et non ionisants Dans le cadre des rayonnements électroma- gnétiques utilisés, le caractère ionisant concerne, Par convention, le seuil d’ionisation de 13,6 eV par ordre d’énergie décroissante, les rayonne- permet de classer les radiations électromagné- tiques en deux catégories principales. ments X et γ et les rayonnements ultraviolets. Les photons d’énergie supérieure à ce seuil Rayonnements X et γ recouvrent à peu de sont qualifiés de rayonnements ionisants. Ceux chose près la même gamme d’énergie et ne se dif- de moindre énergie sont qualifiés de rayonne- férencient que par leur origine. Les rayons X ments non ionisants. sont produits de différentes façons par des phé- Cette distinction est essentielle car elle per- met de différencier les photons non ionisants nomènes physiques qui mettent en jeu le nuage de ceux, ionisants, susceptibles de briser des électronique d’atomes ou le voisinage de noyaux liaisons covalentes, donc de dénaturer des mo- atomiques. Les rayons γ proviennent soit direc- lécules biologiques et d’entraîner des patholo- tement du noyau de certains atomes, soit secon- gies variées. Une radiation sera donc considé- dairement de l’annihilation d’antiparticules pro- rée comme ionisante dès qu’elle implique des photons d’énergie supérieure au seuil, soit en- duites par des noyaux atomiques (annihilation core dès que la fréquence de l’onde électro- électron-positon en particulier). Ces rayonne- magnétique dépasse 3 · 106 GHz ou que sa lon- ments présentent des énergies très variables qui gueur d’onde est inférieure à une centaine de s’étendent de la centaine d’électronvolts à des nanomètres environ. valeurs dépassant le million d’électronvolts. Dans le domaine médical, les rayonnements X sont utilisés en radiothérapie transcutanée, lorsque le tissu à irradier n’est pas superficiel. En imagerie radiologique, ils permettent d’obtenir des images de la densité des tissus traversés. Les isotopes émetteurs de rayonnements γ sont mis à profit lors d’examens scintigraphiques des- 7
  • 8. Figure 14.4 Panorama des ondes longueur électromagnétiques. fréquence énergie d’onde (D’après A. Duchêne (Hz) (eV) (m) et J. Joussot-Dubien, 10–18 3 . 1026 1,24 . 1012 les Effets biologiques des rayonnements rayonnement rayon X ionisant non ionisants, radiothérapie Flammarion médecine- 10–14 3 . 1022 1,24 . 108 Sciences, 2001. rayonnement rayon radiodiagnostic cosmique 10–10 3 . 1018 1,24 . 104 13,6 ultraviolet covalence visible 10–6 3 . 1014 1,24 lasers infrarouge 3 . 1010 1,24 . 10–4 micro-ondes, rayonnement 10–2 non ionisant radar 1 3 . 108 1,24 . 10–6 102 3 . 106 1,24 . 10–8 TV, IRM ondes courtes, hertzien téléphone fréquence audio 106 3 . 102 1,24 . 10–12 (réseau électrique 50Hz) tinés à produire une image du fonctionnement d’un organe. Dans cer- tains centres très spécialisés en radiochirurgie, des rayonnements γ externes sont utilisés pour le traitement radiothérapique de tumeurs cé- rébrales ou malformations artérioveineuses inopérables (gamma knife). Par définition, les rayonnements ultraviolets concernent des longueurs d’onde s’échelonnant entre 400 nm (limite inférieure du rayonnement bleu visible par un être humain) et 10 nm. Il s’agit donc de photons d’énergies comprises entre 3 eV et 124 eV. Ils chevauchent la limite entre rayonnements ionisants et non ionisants. Découverts par Johann Wilhelm Ritter en 1801 lors de réactions chimiques, ils peuvent être produits au moyen de matériaux excités par une source d’énergie (arc électrique, lampe à vapeur de mercure) ou de lasers. Les radiations ultraviolettes sont utilisées par exemple en dermatologie (traitement du psoriasis), mais peuvent aussi être pathogènes (cancers cutanés). b) Les rayonnements non ionisants Les rayonnements non ionisants recouvrent une gamme étendue de rayonnements électromagnétiques qui vont de l’ultraviolet proche du visible aux ondes hertziennes, en passant par le visible, les infrarouges et les micro-ondes. Le rayonnement visible (pour un être humain) concerne une bande étroite de longueurs d’onde situées entre 400 et 760 nm. Ceci cor- respond à des photons de 1 à 3 eV environ. Chaque longueur d’onde 8
  • 9. Les rayonnements d’intérêt biomédical est associée par le cerveau humain à une couleur donnée du spectre 14 visible, du bleu au rouge en passant par le vert, le jaune et l’orange, sui- vant l’ordre observable dans un arc-en-ciel. Le rayonnement infrarouge est caractérisé par des longueurs d’onde qui s’étalent de la limite supérieure des longueurs d’onde visibles, soit 0,76 mm (couleur rouge), jusqu’à quelques millimètres. Ce rayonnement fut découvert en 1800 par William Herschel et est généralement produit par des sources de chaleur, plus rarement par des lasers. En médecine, il a été testé en diagnostic pour détecter une augmentation locale de cha- leur pouvant orienter vers une pathologie tumorale (thermographie infrarouge), et en thérapeutique pour donner un effet thermique anti- inflammatoire. Le rayonnement micro-onde (ou hyperfréquence) correspond à des longueurs d’onde évoluant entre quelques millimètres et un mètre. Lorsqu’il traverse un matériau, ce rayonnement électromagnétique de fréquence relativement élevée (GHz) peut transférer une partie de son énergie par effet Joule et provoquer ainsi un échauffement rapide qui dépend de la nature du matériau où a lieu la dissipation de l’énergie. Dans le domaine médical, le rayonnement micro-onde a lui aussi fait l’objet d’études en thermographie. Enfin, les rayonnements hertziens présentent des longueurs d’onde qui peuvent varier du mètre au kilomètre et constituent le domaine des ondes radio (radiophonie, télévision, téléphonie, etc.). Elles permettent, depuis les premières expériences de Guglielmo Marconi en 1897, de transmettre des informations sur de longues distances. Naturellement, l’énergie des photons qui les constituent est très largement insuffisante (E Ͻ 1 µeV) pour provoquer la moindre pathologie secondaire à un phénomène d’ionisation. Dans la pratique médicale courante, elles sont utilisées pour les études de résonance magnétique nucléaire, tant en imagerie qu’en spectroscopie. 9