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D’une « nouvelle sorte de rayonnement » à la tomodensitométrie : une histoire du scanner
IRBM 30 (2009) 33–39
Revue générale
D’une « nouvelle sorte de rayonnement » à la tomodensitométrie : une histoire du scanner From a “new kind of radiation” to tomography: A history of the computed tomography M. Vermandel a,∗,b , X. Marchandise b b
a Inserm, U703, ThIAIS, pavillon Vancostenobel, CHRU de Lille, 59037 Lille cedex, France UPRES EA 1049, laboratoire de biophysique, faculté de médecine, université de Lille-2, place Verdun, 59000 Lille, France
Rec¸u le 6 janvier 2009 ; accepté le 6 janvier 2009 Disponible sur Internet le 18 f´evrier 2009
Résumé Dans cet article, les auteurs présentent l’évolution de la radiologie, d’un point de vue historique, de la découverte des rayons X jusqu’à l’invention de la tomodensitométrie. Depuis l’invention des rayons X par W.C. Röntgen, la recherche de la troisième dimension en imagerie a suscité beaucoup de développements tant en physique qu’en mathématiques. Son avènement a finalement eu lieu au début des années 1970 où la tomodensitométrie a été mise au premier plan par G.N. Hounsfield. Ce papier replace les différentes évolutions dans leur contexte historique. © 2009 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés. Abstract In this article, the authors present the evolution of radiology, from the discovery of X-rays until the invention of the CT scan. Since the invention of X-rays by W.C. Röntgen, the search for the third dimension in medical imaging has provided a lot of developments both in physics and in mathematics. This third dimension has finally occurred in the early 1970s when CT was put forward by G.N. Hounsfield. This paper places the developments in their historical context. © 2009 Elsevier Masson SAS. All rights reserved. Mots clés : Radiologie ; Tomodensitométrie ; TDM Keywords: Radiology; Computed tomography; CT
1. Introduction Jusqu’à l’arrivée de la tomodensitométrie (TDM), de nombreuses parties du corps humain restaient inaccessibles à la radiographie. Seules, dans certains cas, des procédures invasives permettaient l’exploration diagnostique mais au prix d’actes inconfortables pour le patient, voire dangereux. Reposant sur la détection de rayons X tout autour du patient, l’impact de la TDM en radiologie fut tel qu’elle fut reconnue comme la découverte la plus importante [1,2] depuis l’invention des rayons X par Wilhelm Conrad Röntgen (Fig. 1) le 8 novembre 1895 [3]. ∗
Auteur correspondant. Adresse e-mail : [email protected] (M. Vermandel).
1959-0318/$ – see front matter © 2009 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés. doi:10.1016/j.irbm.2009.01.002
Nous présentons dans cet article la tomographie axiale en abordant le contexte historique. La première partie revient sur la découverte des rayons X au xixe siècle, la seconde partie détaille l’histoire de la TDM au fil des sauts technologiques. 2. Contexte historique de la radiologie 2.1. Une nouvelle sorte de rayonnement « Si on laisse passer la décharge d’une grosse bobine de Ruhmkorff à travers un tube à vide (. . .) et que l’on recouvre le tube d’un manteau suffisamment ajusté de carton noir mince, on voit alors, dans la pièce complètement obscure, qu’un écran de papier recouvert de platinocyanure de baryum, amené à
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Fig. 2. Premier cliché radiographique, la main de Bertha Röntgen. Fig. 1. Wilhelm Conrad Röntgen, inventeur des rayons X.
proximité de l’appareil, s’illumine et devient fluorescent lors de chaque décharge. (. . .) Cette fluorescence est encore visible à deux mètres de l’appareil. On est rapidement convaincu que cette fluorescence provient de l’appareil à décharge et d’aucun autre endroit de la conduite électrique » [3]. L’expérience décrite est le fruit des observations faites par Röntgen lorsqu’il étudie les décharges électriques à travers le gaz. En effet, le tube de HittorfCrooks, mis au point pour étudier les courants cathodiques, émet, à chaque décharge, un rayonnement capable de produire une fluorescence et de traverser « le manteau de carton noir ». Très vite, Röntgen observe que d’autres objets laissent passer ce nouveau rayonnement avec cependant une « transparence » différente selon la matière. Il démontre très vite que ces rayons sont si pénétrants qu’ils sont capables de traverser l’air, le verre, le papier, le bois sans déviation et sans réflexion. Même les tissus humains y sont transparents car lorsque Röntgen interpose sa main entre l’appareil à décharge et la plaque de platinocyanure, il voit l’ombre des tissus et celle, plus claire, de ses os [4]. Cette première radiographie réalisée 14 jours après sa découverte aura nécessité un temps de pose de 20 minutes. Vient ensuite, le 22 décembre, le célèbre cliché radiographique de la main de la femme de Röntgen, Bertha (Fig. 2). Le 28 décembre (le même jour que la première projection publique des Frères Lumières), Röntgen rend compte de ses expériences auprès de la Société de physique médicale de Würzburg. Malgré la faible diffusion des comptes rendus des séances, la découverte va très vite faire le tour du monde. Six mois plus tard, le premier livre consacré à la radiologie paraît. Déjà le champ d’application s’étend du diagnostic au traitement radiothérapeutique. Dès 1897, lorsqu’Antoine Béclère crée le premier service de radiologie à l’hôpital Tenon (Fig. 3), le corps médical lui reproche de déshonorer la profession en devenant « photographe » [4] : l’imagerie médicale est née. Röntgen baptise ce rayonnement « rayons X », avec le même X qui désigne l’inconnu en mathématiques. Il recevra le tout
premier prix Nobel de physique en 1901. Ce succès aura sûrement stimulé le franc¸ais René Bondlot qui présenta à l’académie des sciences en 1903 ses rayons N (N en hommage à sa ville de Nancy). Ces rayons ont été découverts à l’occasion d’expériences de polarisation des rayons X et avaient des propriétés étonnantes. Ils pouvaient, par exemple, être générés par une grande variété de sources (toutes substances, sauf le bois vert et les métaux traités). Ces rayons ont finalement disparu en
Fig. 3. Antoine Béclère, premier radiologue.
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Fig. 4. Rayons X et occultisme.
1904 : le physicien américain Robert Williams Wood démontra que les rayons N que pensaient avoir trouvé Blondlot et ses collègues n’existaient pas. Les rayons X nourrissent également très vite les fantasmes jusqu’à être utilisés lors des séances de « néo-occultisme » (Fig. 4). Le développement commercial est considérable. Il est courant à l’époque de disposer, dans un laboratoire de physique, d’une bobine de Ruhmkorff et d’un tube de Crooks, ainsi les fabricants existent-ils déjà quand le marché de la radiologie (médicale ou non !) s’ouvre (Fig. 5). L’engouement pour les rayons X est tel qu’ils concurrencent le « cinématographe » au travers de séances telles qu’en propose le théâtre Robert-Houdin connu pour ses spectacles de magie basés sur les lois de la physique [5] (Fig. 6). Le cinéma s’approprie lui aussi le thème, comme en témoigne le film Rayons-X de Méliès en 1896. 2.2. Les débuts de la radiologie interventionnelle En 1914, Marie Curie perc¸oit clairement le bénéfice qu’offre la radiologie dans la prise en charge des blessés de la première guerre mondiale. L’éclatement du conflit ayant mobilisé la majorité des hommes, l’institut du radium à peine aménagé ne peut fonctionner [4]. Refusant l’inactivité contrainte, Marie Curie imagine un service de radiologie des armées. Elle est nommée « Directeur du service radiologique de la Croix-Rouge ». Ainsi, des unités radiologiques mobiles vont équiper des véhi-
Fig. 5. Affiche vantant les mérites des appareils de l’ingénieur Radiguet et démonstration publique de la radioscopie.
cules – les petites Curies – permettant aux médecins de faire leurs diagnostics au plus près du front, garantissant une prise en charge rapide des blessés. Les rayons X sont alors produits soit à partir d’un groupe électrogène soit à partir d’une dynamo couplée au moteur du véhicule. L’urgence des interventions conduits les chirurgiens à intervenir directement à partir des informations radiographiques. Ces premiers pas de « l’imagerie interventionnelle » sont rappelés par Marie Curie qui décrit le contexte où les blessés « sont opérés sous le contrôle des rayons » [6]. Le principe de précaution n’existant peu ou pas, l’utilisation intensive des rayons X voit apparaître les radiodermites chez les sujets sains. Elles sont observées sous forme de « brûlures qui peuvent être incurables » [6]. La prévention se traduit alors par l’utilisation de protections à base de plomb et la nécessité de personnels spécialisés, formés aux techniques d’acquisitions radiologiques. La profession de manipulateur apparaît. Les premiers seront formés par Marie et Irène Curie afin de soutenir l’effort de guerre et répondre aux
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« stratigraphie » en ajoutant un mouvement de rotation par rapport au système de Bocage [12] (Fig. 8(b)). Grossman [13,14] et Des Plantes [15] ajoutent également leur pierre à l’édifice. 3.2. L’apport des mathématiciens Simultanément aux développements de Bocage, un mathématicien autrichien, Johan Radon [16], pose les bases de ce qui deviendra plus tard la reconstruction tomographique. Sa théorie, qui n’est à cette époque qu’un exercice mathématique purement théorique, propose la reconstitution d’une information à partir d’acquisitions partielles obtenues à partir de plusieurs projections. L’une des premières utilisations n’apparaîtra qu’à la fin des années 1950 quand Ronald N. Bracewell, ingénieur australien, exploite la théorie de Radon pour la reconstruction d’images à partir de signaux issus de l’espace [17,18] afin d’identifier les régions solaires émettant des radiations micro-ondes. Les méthodes de reconstruction seront l’objet de nombreux développements [19], quel que soit la discipline – physique [20–27], médecine nucléaire, biologie moléculaire [28]. 3.3. Premier pas vers un « scanner moderne »
Fig. 6. Affiche d’un spectacle présenté au théâtre Robert-Houdin vers 1896.
besoins du front. Ainsi, 150 manipulatrices seront formées entre 1914 et 1917 à l’institut du radium. Marie Curie, ellemême, sera victime des rayonnements puisqu’elle décédera d’une leucémie suite aux multiples expositions. Sa maladie fut longtemps attribuée à la manipulation d’éléments radioactifs mais les études n’ont jamais permis d’établir une contamination suffisante et à l’heure actuelle la leucémie semble plus probablement imputable à son activité des « petites curies ».
En 1961, un neurologue américain, Oldendorf [29–32] démontre une solution pour acquérir des images transverses d’objets composés de tissus mous par retroprojection et reconstruction. À partir de matériaux trouvés chez lui, tels que le train électrique de son fils, un tourne disque, le moteur d’un réveil. . . il monte une expérience démontrant la faisabilité de la TDM (Fig. 9). Dans son article référence [29], Oldendorf décrit le concept de base utilisé plus tard par Allan McLeod Cormack [21,22] pour développer les solutions mathématiques de la tomographie (computerized tomography). Allan McLeod Cormack, chercheur à l’université Harvard puis professeur de physique à l’université Tufts de Boston, n’était pas au courant des travaux d’Oldendorf puisque malheureusement, et malgré l’activisme
3. La tomographie 3.1. Naissance de la tomographie Vers 1920, les limitations de la radiographie planaire commencent à réellement apparaître et une recherche de la troisième dimension commence. André Bocage [7,8] imagine alors les mouvements d’une source de rayons X et d’un film radiographique dans des directions opposées. En gardant un plan focal fixe sur l’objet imagé, il apparaît rehaussé alors que les structures avoisinantes deviennent floues (Fig. 7 et 8(a)). Ce principe de visualisation en coupe constitue la première expérience d’imagerie tomographique. Bocage protège son invention qui permet « d’isoler dans les tissus la région intéressante ». D’autres inventeurs contribuent également à la tomographie tel Vallebona [9–11] qui présente vers 1930 une invention similaire à celle de Bocage et propose la
Fig. 7. André Bocage dermatologue franc¸ais, père de la tomographie.
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Fig. 8. Schéma des premiers systèmes de tomographie de Bocage (a) et Vallebona (b). (a) : système de Bocage : la source bouge d’A’ vers A” en passant par A pendant que le détecteur suit un mouvement antiparallèle à une distance du plan de déplacement de la source constante ; tous les points du plan LOM reste focalisés alors que les autres points deviennent flous ; (b) : système de Vallebona : la source bouge du point A au point A’ et le film suit le mouvement de manière à ce que le couple source–film corresponde à un mouvement de pendule autour du point O ; le but étant que le plan L–M reste dans le focus et soit donc accentué sur l’image.
d’Oldendorf auprès des constructeurs, ses travaux sont restés très confidentiels : moins de dix tirés à parts lui ont été demandés [30,31]. En 1965, bien avant Hounsfield (Fig. 10) et l’Electric and Music Industry (EMI), les chercheurs Kuhl, Ane et Eaton de l’hôpital universitaire de Pennsylvanie obtiennent la première image axiale du thorax d’un patient grâce au système Mark II [33] basé sur des détecteurs à scintillations et une source radioactive d’américium 241. Suite à ces travaux, le système Mark III [34] est mis au point. Il s’agit d’un scanner compact intégrant un ordinateur et un écran cathodique pour la visualisation.
Malgré le succès des expériences du Mark III, aucun modèle de scanner clinique n’est développé jusqu’en 1971 où Hounsfield, ingénieur en informatique travaillant pour le Central Research Laboratory for EMI en Angleterre, produit les premières images de patients cliniquement exploitables. Ce système, décrit dans un article de 1973 [35,36], permet l’acquisition d’images cérébrales grâce à l’apport technologique de la combinaison de détecteurs couplés à l’ordinateur. Principalement appliqué dans l’investigation cérébrale, le scanner est très rapidement étendu au corps entier à partir de 1975. 3.4. All you need is. . . a CT scan L’anecdote associant l’histoire des Beatles à la découverte d’Hounsfield revient régulièrement dans les historiques de l’imagerie. Loin d’être fantaisiste, cette relation est indéniable.
Fig. 9. Expérience proposée par Oldendorf.
Fig. 10. G. Hounsfield et J. Ambrose devant une version du l’Electric and Music Industry (EMI) CAT scanner (computerized axial tomography).
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En 1967, Hounsfield travaille alors pour EMI depuis 16 ans, sur des thèmes allant des radars au guidage de missiles. Cette année, EMI s’enrichit considérablement grâce aux ventes réalisées par les « Fab’s Four » (environ 200 millions de disques 45 tours vendus à travers le monde). L’EMI accorde donc à Hounsfield les fonds nécessaires pour développer l’idée qu’il a eu lors d’une de ses nombreuses randonnées en campagne. Ainsi, à partir de son prototype réalisé en 1968, il pourra consacrer quatre ans de ses recherches pour obtenir finalement la première machine utilisable en clinique. 3.5. La validation clinique : un tour de force. . . En octobre 1971, l’EMI installe un scanner à l’hôpital Atkinson Morley situé à une quinzaine de kilomètres du laboratoire de Hounsfield. Cet hôpital ayant peu de visiteurs garantissait de ne pas attirer les curieux si bien que seuls l’intendant et Ambrose, le neuroradiologue collaborant avec Hounsfield, étaient au courant de cette installation [2]. Dans les six mois qui suivirent, pour valider cliniquement l’intérêt du scanner, Ambrose et Hounsfield ont acquis 70 examens cérébraux et ont obtenu une confirmation histologique de la présence d’une lésion dans presque tous les cas. À l’époque, le fait d’acquérir 70 examens en six mois constituait un véritable tour de force si l’on considère que, sur ce système, quatre minutes étaient nécessaires à l’acquisition d’une seule coupe et que les données enregistrées sur bandes magnétiques nécessitaient deux jours de traitement en laboratoire afin de reconstituer un examen. La TDM clinique était née. . . Finalement GodFrey N. Hounsfield et Allan M. Cormack auront conjointement le prix Nobel de médecine en 1979. Hounsfield restera le seul prix Nobel de l’histoire à ne pas avoir de doctorat. Par ailleurs, dans son discours devant le comité, il annoncera l’arrivée d’une nouvelle modalité d’imagerie prometteuse : l’imagerie par résonance magnétique nucléaire (Fig. 11) qui vaudra leur prix Nobel en 2003 à Paul Lauterbur et Peter Mansfield. 4. Conclusion
Fig. 11. Chronologie de la tomodensitométrie (TDM) et jalons historiques.
Dès la présentation par Ambrose de leurs résultats au RSNA en novembre 1972, la TDM a immédiatement suscité l’engouement du monde médical. Depuis, la TDM n’a cessé d’évoluer. D’abord le statif qui du mouvement translation–rotation de l’ensemble tube-détecteur est passé au mouvement dit rotation–rotation [37] dès la troisième génération. Ce mouvement rendu possible grâce à une meilleure utilisation du tube, permettant un faisceau de rayons X en éventail, combinée au passage d’un détecteur (première génération) à plusieurs détecteurs (deuxième génération), a considérablement diminué le temps d’acquisition pour permettre l’exploration en corps entier. Plus tard, la quatrième génération proposera l’utilisation d’une couronne de détecteurs fixes qui permet de supprimer le risque d’artefacts circulaires [37]. D’autres progrès technologiques, tels que l’utilisation de détecteurs multibarrettes associée à un mouvement hélicoïdal [38], ont contribué
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à l’amélioration de la qualité des images et l’augmentation de la vitesse d’acquisition. Encore aujourd’hui, la TDM bénéficie d’avancées technologiques augmentant sans cesse l’étendue des applications. Ainsi, la grande vitesse d’acquisition, grâce notamment à la multiplication des détecteurs, la rotation continue, le mouvement hélicoïdal. . . rendent possible les examens dynamiques (par exemple, acquisitions synchronisées dans les applications cardiaques). Aujourd’hui, l’exploration fonctionnelle et morphologique simultanément est même rendue possible grâce à l’association à d’autres modalités d’imagerie (tomographie par émission de positons – tomographie par émission monophotoniques couplées à la TDM). Nous ne pouvons pas détailler ici toutes les innovations de ces dernières années, quelques unes sont néanmoins particulièrement intéressantes et prometteuses. Par exemple, un constructeur a récemment proposé l’utilisation de deux tubes à rayons X en simultané. Ces derniers, en plus d’une acquisition extrêmement rapide, améliorent la différentiation des tissus mous grâce à la visualisation en double énergie. Cette possibilité a également été mise à profit en absorptiométrie double énergie sous forme de peripheral Quantitative Computerized Tomography (pQCT) pour la mesure absolue de la densité osseuse. Un autre exemple d’innovation concerne la radioprotection. Dans ce cadre, les contraintes de limitation de la dose rec¸ue par le patient ont amené le développement de technologies permettant d’adapter en temps réel le faisceau à la morphologie pour diminuer l’irradiation. Finalement, pour ne citer qu’un dernier exemple, le scanner devient appareil de traitement grâce à la tomothérapie qui, basée sur un principe dual de la TDM, la planification inverse, propose une nouvelle philosophie d’irradiation thérapeutique. Références [1] In: Newton TH, Potts DG, editors. History of computed tomography. Radiology of the skull and brain: technical aspects of computed tomography. Bull J. St Louis: Mosby; 1981. pp. 3835–52. [2] Friedland GW, Thruber BD. The birth of CT. Am J Radiol 1996;167:1365–70. [3] Röntgen WC. Über eine neue Art von Strahlen (sur une nouvelle sorte de rayonnement). Comptes rendus de séance. Allemagne: Société de physique médicale de Würzburg; 1895. [4] Bordry M, Fayard F. Les rayons X sortent de l’anonymat. J Institut Curie – Comprendre et Agir 1992:21. [5] Rougée A. Les formes populaires de vulgarisation des sciences, étude d’un cas : rayons X et radioactivité. In: Mémoire de DEA diffusion des sciences et techniques, université Paris-10 – Orsay. 2001. [6] Curie M. La radiologie et la Guerre. Éditions Felix-Alcan; 1921. [7] Mercier P. André Bocage and tomography, or the life of a man who should have been famous. Hist Sci Med 1998;32:169–73. [8] Bocage A. Procédé et dispositif de radiographie sur plaque en mouvement. Brevet franc¸ais 1922;534:464. [9] Vallebona A. Axial transverse laminagraphy. Radiology 1950;55:271–3. [10] Vallebona A. Recent progress and developments in stratigraphy. J Radiol Electrol Arch Electr Med 1953;34:808–11. [11] Vallebona A. Una modalità di tecnica per la dissociazione radiografica delle ombre applicata allo studio del cranio. Radiol Med 1930;17:1090–7.
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Fig. 2. Premier cliché radiographique, la main de Bertha Röntgen. Fig. 1. Wilhelm Conrad Röntgen, inventeur des rayons X.
proximité de l’appareil, s’illumine et devient fluorescent lors de chaque décharge. (. . .) Cette fluorescence est encore visible à deux mètres de l’appareil. On est rapidement convaincu que cette fluorescence provient de l’appareil à décharge et d’aucun autre endroit de la conduite électrique » [3]. L’expérience décrite est le fruit des observations faites par Röntgen lorsqu’il étudie les décharges électriques à travers le gaz. En effet, le tube de HittorfCrooks, mis au point pour étudier les courants cathodiques, émet, à chaque décharge, un rayonnement capable de produire une fluorescence et de traverser « le manteau de carton noir ». Très vite, Röntgen observe que d’autres objets laissent passer ce nouveau rayonnement avec cependant une « transparence » différente selon la matière. Il démontre très vite que ces rayons sont si pénétrants qu’ils sont capables de traverser l’air, le verre, le papier, le bois sans déviation et sans réflexion. Même les tissus humains y sont transparents car lorsque Röntgen interpose sa main entre l’appareil à décharge et la plaque de platinocyanure, il voit l’ombre des tissus et celle, plus claire, de ses os [4]. Cette première radiographie réalisée 14 jours après sa découverte aura nécessité un temps de pose de 20 minutes. Vient ensuite, le 22 décembre, le célèbre cliché radiographique de la main de la femme de Röntgen, Bertha (Fig. 2). Le 28 décembre (le même jour que la première projection publique des Frères Lumières), Röntgen rend compte de ses expériences auprès de la Société de physique médicale de Würzburg. Malgré la faible diffusion des comptes rendus des séances, la découverte va très vite faire le tour du monde. Six mois plus tard, le premier livre consacré à la radiologie paraît. Déjà le champ d’application s’étend du diagnostic au traitement radiothérapeutique. Dès 1897, lorsqu’Antoine Béclère crée le premier service de radiologie à l’hôpital Tenon (Fig. 3), le corps médical lui reproche de déshonorer la profession en devenant « photographe » [4] : l’imagerie médicale est née. Röntgen baptise ce rayonnement « rayons X », avec le même X qui désigne l’inconnu en mathématiques. Il recevra le tout
premier prix Nobel de physique en 1901. Ce succès aura sûrement stimulé le franc¸ais René Bondlot qui présenta à l’académie des sciences en 1903 ses rayons N (N en hommage à sa ville de Nancy). Ces rayons ont été découverts à l’occasion d’expériences de polarisation des rayons X et avaient des propriétés étonnantes. Ils pouvaient, par exemple, être générés par une grande variété de sources (toutes substances, sauf le bois vert et les métaux traités). Ces rayons ont finalement disparu en
Fig. 3. Antoine Béclère, premier radiologue.
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Fig. 4. Rayons X et occultisme.
1904 : le physicien américain Robert Williams Wood démontra que les rayons N que pensaient avoir trouvé Blondlot et ses collègues n’existaient pas. Les rayons X nourrissent également très vite les fantasmes jusqu’à être utilisés lors des séances de « néo-occultisme » (Fig. 4). Le développement commercial est considérable. Il est courant à l’époque de disposer, dans un laboratoire de physique, d’une bobine de Ruhmkorff et d’un tube de Crooks, ainsi les fabricants existent-ils déjà quand le marché de la radiologie (médicale ou non !) s’ouvre (Fig. 5). L’engouement pour les rayons X est tel qu’ils concurrencent le « cinématographe » au travers de séances telles qu’en propose le théâtre Robert-Houdin connu pour ses spectacles de magie basés sur les lois de la physique [5] (Fig. 6). Le cinéma s’approprie lui aussi le thème, comme en témoigne le film Rayons-X de Méliès en 1896. 2.2. Les débuts de la radiologie interventionnelle En 1914, Marie Curie perc¸oit clairement le bénéfice qu’offre la radiologie dans la prise en charge des blessés de la première guerre mondiale. L’éclatement du conflit ayant mobilisé la majorité des hommes, l’institut du radium à peine aménagé ne peut fonctionner [4]. Refusant l’inactivité contrainte, Marie Curie imagine un service de radiologie des armées. Elle est nommée « Directeur du service radiologique de la Croix-Rouge ». Ainsi, des unités radiologiques mobiles vont équiper des véhi-
Fig. 5. Affiche vantant les mérites des appareils de l’ingénieur Radiguet et démonstration publique de la radioscopie.
cules – les petites Curies – permettant aux médecins de faire leurs diagnostics au plus près du front, garantissant une prise en charge rapide des blessés. Les rayons X sont alors produits soit à partir d’un groupe électrogène soit à partir d’une dynamo couplée au moteur du véhicule. L’urgence des interventions conduits les chirurgiens à intervenir directement à partir des informations radiographiques. Ces premiers pas de « l’imagerie interventionnelle » sont rappelés par Marie Curie qui décrit le contexte où les blessés « sont opérés sous le contrôle des rayons » [6]. Le principe de précaution n’existant peu ou pas, l’utilisation intensive des rayons X voit apparaître les radiodermites chez les sujets sains. Elles sont observées sous forme de « brûlures qui peuvent être incurables » [6]. La prévention se traduit alors par l’utilisation de protections à base de plomb et la nécessité de personnels spécialisés, formés aux techniques d’acquisitions radiologiques. La profession de manipulateur apparaît. Les premiers seront formés par Marie et Irène Curie afin de soutenir l’effort de guerre et répondre aux
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« stratigraphie » en ajoutant un mouvement de rotation par rapport au système de Bocage [12] (Fig. 8(b)). Grossman [13,14] et Des Plantes [15] ajoutent également leur pierre à l’édifice. 3.2. L’apport des mathématiciens Simultanément aux développements de Bocage, un mathématicien autrichien, Johan Radon [16], pose les bases de ce qui deviendra plus tard la reconstruction tomographique. Sa théorie, qui n’est à cette époque qu’un exercice mathématique purement théorique, propose la reconstitution d’une information à partir d’acquisitions partielles obtenues à partir de plusieurs projections. L’une des premières utilisations n’apparaîtra qu’à la fin des années 1950 quand Ronald N. Bracewell, ingénieur australien, exploite la théorie de Radon pour la reconstruction d’images à partir de signaux issus de l’espace [17,18] afin d’identifier les régions solaires émettant des radiations micro-ondes. Les méthodes de reconstruction seront l’objet de nombreux développements [19], quel que soit la discipline – physique [20–27], médecine nucléaire, biologie moléculaire [28]. 3.3. Premier pas vers un « scanner moderne »
Fig. 6. Affiche d’un spectacle présenté au théâtre Robert-Houdin vers 1896.
besoins du front. Ainsi, 150 manipulatrices seront formées entre 1914 et 1917 à l’institut du radium. Marie Curie, ellemême, sera victime des rayonnements puisqu’elle décédera d’une leucémie suite aux multiples expositions. Sa maladie fut longtemps attribuée à la manipulation d’éléments radioactifs mais les études n’ont jamais permis d’établir une contamination suffisante et à l’heure actuelle la leucémie semble plus probablement imputable à son activité des « petites curies ».
En 1961, un neurologue américain, Oldendorf [29–32] démontre une solution pour acquérir des images transverses d’objets composés de tissus mous par retroprojection et reconstruction. À partir de matériaux trouvés chez lui, tels que le train électrique de son fils, un tourne disque, le moteur d’un réveil. . . il monte une expérience démontrant la faisabilité de la TDM (Fig. 9). Dans son article référence [29], Oldendorf décrit le concept de base utilisé plus tard par Allan McLeod Cormack [21,22] pour développer les solutions mathématiques de la tomographie (computerized tomography). Allan McLeod Cormack, chercheur à l’université Harvard puis professeur de physique à l’université Tufts de Boston, n’était pas au courant des travaux d’Oldendorf puisque malheureusement, et malgré l’activisme
3. La tomographie 3.1. Naissance de la tomographie Vers 1920, les limitations de la radiographie planaire commencent à réellement apparaître et une recherche de la troisième dimension commence. André Bocage [7,8] imagine alors les mouvements d’une source de rayons X et d’un film radiographique dans des directions opposées. En gardant un plan focal fixe sur l’objet imagé, il apparaît rehaussé alors que les structures avoisinantes deviennent floues (Fig. 7 et 8(a)). Ce principe de visualisation en coupe constitue la première expérience d’imagerie tomographique. Bocage protège son invention qui permet « d’isoler dans les tissus la région intéressante ». D’autres inventeurs contribuent également à la tomographie tel Vallebona [9–11] qui présente vers 1930 une invention similaire à celle de Bocage et propose la
Fig. 7. André Bocage dermatologue franc¸ais, père de la tomographie.
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Fig. 8. Schéma des premiers systèmes de tomographie de Bocage (a) et Vallebona (b). (a) : système de Bocage : la source bouge d’A’ vers A” en passant par A pendant que le détecteur suit un mouvement antiparallèle à une distance du plan de déplacement de la source constante ; tous les points du plan LOM reste focalisés alors que les autres points deviennent flous ; (b) : système de Vallebona : la source bouge du point A au point A’ et le film suit le mouvement de manière à ce que le couple source–film corresponde à un mouvement de pendule autour du point O ; le but étant que le plan L–M reste dans le focus et soit donc accentué sur l’image.
d’Oldendorf auprès des constructeurs, ses travaux sont restés très confidentiels : moins de dix tirés à parts lui ont été demandés [30,31]. En 1965, bien avant Hounsfield (Fig. 10) et l’Electric and Music Industry (EMI), les chercheurs Kuhl, Ane et Eaton de l’hôpital universitaire de Pennsylvanie obtiennent la première image axiale du thorax d’un patient grâce au système Mark II [33] basé sur des détecteurs à scintillations et une source radioactive d’américium 241. Suite à ces travaux, le système Mark III [34] est mis au point. Il s’agit d’un scanner compact intégrant un ordinateur et un écran cathodique pour la visualisation.
Malgré le succès des expériences du Mark III, aucun modèle de scanner clinique n’est développé jusqu’en 1971 où Hounsfield, ingénieur en informatique travaillant pour le Central Research Laboratory for EMI en Angleterre, produit les premières images de patients cliniquement exploitables. Ce système, décrit dans un article de 1973 [35,36], permet l’acquisition d’images cérébrales grâce à l’apport technologique de la combinaison de détecteurs couplés à l’ordinateur. Principalement appliqué dans l’investigation cérébrale, le scanner est très rapidement étendu au corps entier à partir de 1975. 3.4. All you need is. . . a CT scan L’anecdote associant l’histoire des Beatles à la découverte d’Hounsfield revient régulièrement dans les historiques de l’imagerie. Loin d’être fantaisiste, cette relation est indéniable.
Fig. 9. Expérience proposée par Oldendorf.
Fig. 10. G. Hounsfield et J. Ambrose devant une version du l’Electric and Music Industry (EMI) CAT scanner (computerized axial tomography).
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En 1967, Hounsfield travaille alors pour EMI depuis 16 ans, sur des thèmes allant des radars au guidage de missiles. Cette année, EMI s’enrichit considérablement grâce aux ventes réalisées par les « Fab’s Four » (environ 200 millions de disques 45 tours vendus à travers le monde). L’EMI accorde donc à Hounsfield les fonds nécessaires pour développer l’idée qu’il a eu lors d’une de ses nombreuses randonnées en campagne. Ainsi, à partir de son prototype réalisé en 1968, il pourra consacrer quatre ans de ses recherches pour obtenir finalement la première machine utilisable en clinique. 3.5. La validation clinique : un tour de force. . . En octobre 1971, l’EMI installe un scanner à l’hôpital Atkinson Morley situé à une quinzaine de kilomètres du laboratoire de Hounsfield. Cet hôpital ayant peu de visiteurs garantissait de ne pas attirer les curieux si bien que seuls l’intendant et Ambrose, le neuroradiologue collaborant avec Hounsfield, étaient au courant de cette installation [2]. Dans les six mois qui suivirent, pour valider cliniquement l’intérêt du scanner, Ambrose et Hounsfield ont acquis 70 examens cérébraux et ont obtenu une confirmation histologique de la présence d’une lésion dans presque tous les cas. À l’époque, le fait d’acquérir 70 examens en six mois constituait un véritable tour de force si l’on considère que, sur ce système, quatre minutes étaient nécessaires à l’acquisition d’une seule coupe et que les données enregistrées sur bandes magnétiques nécessitaient deux jours de traitement en laboratoire afin de reconstituer un examen. La TDM clinique était née. . . Finalement GodFrey N. Hounsfield et Allan M. Cormack auront conjointement le prix Nobel de médecine en 1979. Hounsfield restera le seul prix Nobel de l’histoire à ne pas avoir de doctorat. Par ailleurs, dans son discours devant le comité, il annoncera l’arrivée d’une nouvelle modalité d’imagerie prometteuse : l’imagerie par résonance magnétique nucléaire (Fig. 11) qui vaudra leur prix Nobel en 2003 à Paul Lauterbur et Peter Mansfield. 4. Conclusion
Fig. 11. Chronologie de la tomodensitométrie (TDM) et jalons historiques.
Dès la présentation par Ambrose de leurs résultats au RSNA en novembre 1972, la TDM a immédiatement suscité l’engouement du monde médical. Depuis, la TDM n’a cessé d’évoluer. D’abord le statif qui du mouvement translation–rotation de l’ensemble tube-détecteur est passé au mouvement dit rotation–rotation [37] dès la troisième génération. Ce mouvement rendu possible grâce à une meilleure utilisation du tube, permettant un faisceau de rayons X en éventail, combinée au passage d’un détecteur (première génération) à plusieurs détecteurs (deuxième génération), a considérablement diminué le temps d’acquisition pour permettre l’exploration en corps entier. Plus tard, la quatrième génération proposera l’utilisation d’une couronne de détecteurs fixes qui permet de supprimer le risque d’artefacts circulaires [37]. D’autres progrès technologiques, tels que l’utilisation de détecteurs multibarrettes associée à un mouvement hélicoïdal [38], ont contribué
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à l’amélioration de la qualité des images et l’augmentation de la vitesse d’acquisition. Encore aujourd’hui, la TDM bénéficie d’avancées technologiques augmentant sans cesse l’étendue des applications. Ainsi, la grande vitesse d’acquisition, grâce notamment à la multiplication des détecteurs, la rotation continue, le mouvement hélicoïdal. . . rendent possible les examens dynamiques (par exemple, acquisitions synchronisées dans les applications cardiaques). Aujourd’hui, l’exploration fonctionnelle et morphologique simultanément est même rendue possible grâce à l’association à d’autres modalités d’imagerie (tomographie par émission de positons – tomographie par émission monophotoniques couplées à la TDM). Nous ne pouvons pas détailler ici toutes les innovations de ces dernières années, quelques unes sont néanmoins particulièrement intéressantes et prometteuses. Par exemple, un constructeur a récemment proposé l’utilisation de deux tubes à rayons X en simultané. Ces derniers, en plus d’une acquisition extrêmement rapide, améliorent la différentiation des tissus mous grâce à la visualisation en double énergie. Cette possibilité a également été mise à profit en absorptiométrie double énergie sous forme de peripheral Quantitative Computerized Tomography (pQCT) pour la mesure absolue de la densité osseuse. Un autre exemple d’innovation concerne la radioprotection. Dans ce cadre, les contraintes de limitation de la dose rec¸ue par le patient ont amené le développement de technologies permettant d’adapter en temps réel le faisceau à la morphologie pour diminuer l’irradiation. Finalement, pour ne citer qu’un dernier exemple, le scanner devient appareil de traitement grâce à la tomothérapie qui, basée sur un principe dual de la TDM, la planification inverse, propose une nouvelle philosophie d’irradiation thérapeutique. Références [1] In: Newton TH, Potts DG, editors. History of computed tomography. Radiology of the skull and brain: technical aspects of computed tomography. Bull J. St Louis: Mosby; 1981. pp. 3835–52. [2] Friedland GW, Thruber BD. The birth of CT. Am J Radiol 1996;167:1365–70. [3] Röntgen WC. Über eine neue Art von Strahlen (sur une nouvelle sorte de rayonnement). Comptes rendus de séance. Allemagne: Société de physique médicale de Würzburg; 1895. [4] Bordry M, Fayard F. Les rayons X sortent de l’anonymat. J Institut Curie – Comprendre et Agir 1992:21. [5] Rougée A. Les formes populaires de vulgarisation des sciences, étude d’un cas : rayons X et radioactivité. In: Mémoire de DEA diffusion des sciences et techniques, université Paris-10 – Orsay. 2001. [6] Curie M. La radiologie et la Guerre. Éditions Felix-Alcan; 1921. [7] Mercier P. André Bocage and tomography, or the life of a man who should have been famous. Hist Sci Med 1998;32:169–73. [8] Bocage A. Procédé et dispositif de radiographie sur plaque en mouvement. Brevet franc¸ais 1922;534:464. [9] Vallebona A. Axial transverse laminagraphy. Radiology 1950;55:271–3. [10] Vallebona A. Recent progress and developments in stratigraphy. J Radiol Electrol Arch Electr Med 1953;34:808–11. [11] Vallebona A. Una modalità di tecnica per la dissociazione radiografica delle ombre applicata allo studio del cranio. Radiol Med 1930;17:1090–7.
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