10 améliorations apportées par la physique dans le domaine médical

Quand Albert Einstein a énoncé sa théorie de la relativité générale, il essayait de comprendre le fonctionnement de l’univers. Il n’aurait pas pu prévoir que, des décennies plus tard, les principes de sa théorie joueraient un rôle-clé dans les satellites de GPS, permettant à des millions de personnes de naviguer autour du globe.

La physique regorge de telles histoires. Même si les physiciens sont souvent motivés par la pure curiosité, les connaissances qu’ils développent finissent par avoir des applications pratiques en chimie, en science des matériaux, en informatique, etc. Même aujourd’hui, au milieu d’une grande pandémie, les physiciens apportent une contribution inattendue, que ce soit en étudiant le rôle des modèles causaux dans l’évaluation de réponses à la COVID-19 ou en aidant à créer des respirateurs simples dont on a bien besoin.

Voici quelques principes de physique qui ont amélioré des diagnostics et traitement médicaux.

Même si l’antimatière a un parfum de science-fiction, elle est bien réelle — et très utile. Pour donner une image de tissus et d’organes au moyen de la tomographie par émission de positons (TEP), des isotopes radioactifs sont fixés à un matériau tel que le sucre, qui s’accumule dans des cellules énergivores, p. ex. des cellules cancéreuses. Ces isotopes se désintègrent en produisant des positons — particules d’antimatière qui correspondent aux électrons. Lorsqu’un positon vient en contact avec un électron, les deux s’annihilent en émettant un rayonnement qui sert à produire une image.

Selon la mécanique quantique, certaines particules ont une propriété appelée « spin ». L’imagerie par résonance magnétique (IRM) fait appel à un fort champ magnétique pour aligner le spin de protons. Une impulsion radio fait en sorte que certains protons absorbent de l’énergie, ce qui modifie l’alignement de leur spin. Quand ils se réalignent, ces protons libèrent cette énergie, qui est détectée par les capteurs de l’appareil d’IRM.

Les accélérateurs de particules aident les physiciens à percer les secrets du monde quantique. Mais saviez-vous qu’ils traitent également des cancers? La radiothérapie à modulation d’intensité utilise un type d’accélérateur de particules appelé accélérateur linéaire, ou LINAC. Celui-ci crée des collisions d’électrons qui produisent des rayons X de haute énergie, orientés avec précision vers une tumeur.

Les respirateurs régularisent la respiration, processus qui dépend d’une différence de pression entre l’atmosphère et les poumons. Les premiers respirateurs, comme le poumon d’acier, créaient une pression négative autour du thorax. Les respirateurs actuels haussent plutôt la pression dans les voies respiratoires du patient.

Grâce aux propriétés quantiques qui leur sont propres, les lasers — lumière focalisée d’une seule couleur, dont toutes les ondes sont en phase — sont très utiles en médecine. On s’en sert pour découper des tissus en chirurgie, vaporiser des thrombus dans des artères, détecter des tumeurs cancéreuses, etc.

La physique est au cœur du corps humain : les battements cardiaques sont dus à des stimulus électriques produits par le nœud sinu-atrial. Un électrocardiographe (ECG) mesure les minuscules modifications électriques qui surviennent à chaque battement du cœur. Il produit des graphes de la tension électrique en fonction du temps, qui permettent de détecter d’éventuelles anomalies.

Lorsque des ondes sonores de haute fréquence sont envoyées dans le corps humain, elles sont réfléchies à diverses frontières entre tissus. Les ondes sonores peuvent aussi être utilisées dans des traitements, p. ex. pour pulvériser des calculs rénaux, tuer des cellules cancéreuses et guider l’acheminement de médicaments. De la musique à nos oreilles!

Les astronomes ont mis au point l’optique adaptative pour atténuer les effets de l’atmosphère terrestre sur la lumière provenant d’étoiles lointaines, en corrigeant l’image à l’aide d’un miroir déformant. Cette technique est maintenant appliquée à des systèmes biologiques. Par exemple, l’optique adaptative permet de corriger l’effet de la turbulence du liquide oculaire afin d’obtenir une image nette de la rétine.

De nombreux médicaments agissent en inhibant des enzymes (protéines qui catalysent des réactions chimiques dans les cellules). À l’heure actuelle, les scientifiques cherchent à mieux comprendre la physique des mouvements atomiques dans les enzymes, et il pourrait en résulter de toutes nouvelles catégories de médicaments.

Découverts en 1895 par Wilhelm Röntgen, les rayons X sont un type de lumière de haute énergie et de longueur d’onde très courte — trop courte pour être perçue par nos yeux. Les rayons X traversent la plupart des tissus mous, comme le gras et les muscles, mais ils sont absorbés par des matériaux denses tels que l’os, ce qui nous permet d’obtenir des images de l’intérieur du corps sans recourir à des procédures effractives.