Alors que les prix Nobel 2022 doivent être annoncés, Monde de la physique les éditeurs regardent les physiciens qui ont remporté des prix dans des domaines autres que le leur. Ici, Tami Freeman examine deux percées en imagerie médicale qui ont permis à des physiciens de remporter le prix Nobel de physiologie ou médecine.
Les physiciens ont toujours eu un intérêt pour la physique biologique et médicale, avec Francis Crick et Maurice Wilkins partageant la célèbre 1962 Prix Nobel de physiologie ou médecine pour élucider la structure de l'ADN (avec le biologiste James Watson).
Mais deux autres percées majeures en physique médicale - l'introduction de la tomodensitométrie (CT) à rayons X et de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) - ont également valu à leurs inventeurs un prix Nobel de physiologie ou de médecine.
Aborder la théorie de la tomographie
Même avant que Wilhelm Roentgen ne remporte le tout premier prix Nobel de physique en 1901 pour avoir découvert les rayons X, nous savions qu'ils pouvaient être utilisés pour imager l'intérieur du corps. Ils ont rapidement conduit à l'introduction d'une gamme d'applications médicales ; mais c'est le développement de la tomodensitométrie - dans laquelle les rayons X sont envoyés à travers le corps sous différents angles pour créer des images en coupe et en 3D - qui a considérablement élargi le potentiel de l'imagerie médicale par rayons X.
Ce travail a été reconnu en 1979 lorsque le physicien Allan Cormack a reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine "pour le développement de la tomographie assistée par ordinateur», un honneur qu'il a partagé avec l'ingénieur Godfrey Hounsfield.
Né à Johannesburg, en Afrique du Sud, Cormack a été intrigué par l'astronomie dès son plus jeune âge. Il a ensuite étudié l'ingénierie électrique à l'Université du Cap, mais après quelques années, il a abandonné l'ingénierie et s'est tourné vers la physique. Après avoir obtenu une licence en physique et une maîtrise en cristallographie, il a déménagé au Royaume-Uni pour travailler en tant que doctorant au laboratoire Cavendish de l'université de Cambridge. Cormack est retourné au Cap en tant que chargé de cours et, après un congé sabbatique à l'Université de Harvard, en 1957, il est devenu professeur adjoint de physique à l'Université Tufts aux États-Unis. Fait inhabituel pour un lauréat du prix Nobel, Cormack n'a jamais obtenu de doctorat.
À Tufts, les principales activités de Cormack étaient la physique nucléaire et des particules. Mais quand il a eu le temps, il a poursuivi son autre intérêt - le "problème de la tomodensitométrie". Il fut le premier, d'un point de vue théorique, à analyser les conditions de mise en évidence d'une coupe radiographique correcte dans un système biologique.
Ayant développé les fondements théoriques de la reconstruction d'images tomographiques, il a publié ses résultats en 1963 et 1964. Cormack a noté qu'à cette époque, "il n'y avait pratiquement pas de réponse" à ces articles, il a donc poursuivi son cours normal de recherche et d'enseignement. En 1971, cependant, Hounsfield et ses collègues ont construit le premier tomodensitomètre et l'intérêt pour la tomodensitométrie s'est accru.
Ce qui est intéressant, c'est que Cormack et Hounsfield ont construit un type d'appareil très similaire sans collaboration, dans différentes parties du monde. Grâce à leurs efforts indépendants, les tomodensitogrammes sont désormais omniprésents dans la médecine moderne, utilisés pour des applications telles que le diagnostic et la surveillance des maladies, ainsi que pour guider des tests tels que des biopsies ou des traitements tels que la radiothérapie.
L'émergence de l'IRM
Le prochain prix Nobel de physiologie ou de médecine décerné à un physicien était en 2003 lorsque Peter Mansfield a été reconnu (avec le chimiste américain Paul Lauterbur), pour «découvertes concernant l'imagerie par résonance magnétique», qui a ouvert la voie à l'IRM moderne. La technique fournit une visualisation claire et détaillée des structures internes du corps et est maintenant couramment utilisée pour le diagnostic médical, le traitement et le suivi. Fondamentalement, contrairement aux scanners basés sur les rayons X, l'IRM n'expose pas le sujet aux rayonnements ionisants.
Mansfield a d'abord étudié la physique au Queen Mary College de Londres, où ses recherches supérieures se sont concentrées sur la construction d'un spectromètre à résonance magnétique nucléaire pulsée (RMN) pour étudier les systèmes de polymères solides. Après avoir obtenu son doctorat en 1962, il a entrepris d'autres recherches sur la RMN à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, avant de retourner au Royaume-Uni pour occuper un poste de chargé de cours à l'Université de Nottingham (où il a travaillé jusqu'à sa retraite en 1994).
Le doctorat et le postdoctorat de Mansfield l'ont amené à l'idée d'utiliser la RMN pour l'imagerie humaine (une technique appelée à l'origine imagerie par résonance magnétique nucléaire, mais bientôt rebaptisée IRM pour éviter d'alarmer les patients). Et c'est pendant son séjour à Nottingham que Mansfield a fait certaines des percées clés menant à son prix Nobel.
Au milieu des années 1970, Mansfield a produit les premières images RM d'un sujet humain vivant : le doigt d'un de ses étudiants chercheurs. Son équipe a ensuite développé un prototype d'IRM corps entier, qu'il s'est porté volontaire pour être le premier à tester. Bien que ses collègues scientifiques aient averti que cela pourrait être potentiellement dangereux, Mansfield était "assez convaincu qu'il n'y aurait pas de problème".
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Quant à Lauterbur, il a découvert que l'introduction de gradients dans le champ magnétique permettait de créer des images bidimensionnelles de structures qui ne pouvaient pas être visualisées par d'autres techniques. Mansfield a développé l'utilisation des gradients, montrant comment les signaux détectés pouvaient être analysés mathématiquement et transformés en images utiles. Il est également crédité d'avoir découvert comment réduire considérablement les temps d'examen IRM, en utilisant la technique d'imagerie écho-planaire.
De nos jours, des dizaines de millions d'examens IRM sont effectués chaque année dans le monde et, en 1993, Mansfield a été fait chevalier pour ses services à la science médicale. Il y a même une bière (les 4.2 % ABV Bière Sir Peter Mansfield) nommé en son honneur.
