Le scanner à rayons X de demain ? (2/2)

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Des chercheurs essaient de comprendre depuis quelques années les mécanismes à l’oeuvre lorsqu’on déroule un rouleau de scotch. Ne riez pas, ça mènera peut-être à une nouvelle technologie de scanners à rayons X.

Et donc, cette histoire de scotch à rayons X ?

Dès 1620 (oui, oui), Francis Bacon (vu la date, on parle de l’humaniste du 17e siècle, par l’artiste du 20e siècle, évidemment…) rapporte qu’en essayant de casser des morceaux de sucre dans le noir, on pouvait voir un peu de lumière. Pas grand chose, hein, on va pas éclairer sa maison avec des morceaux de sucre, mais le phénomène existe vraiment. Vous pouvez même essayer chez vous, c’est peut-être pas la plus impressionnante des expériences scientifiques, mais certainement l’une des plus simples… Quelques centaines d’années plus tard, des chercheurs ont essayé de dérouler des morceaux de scotch dans le noir – plus exactement, des morceaux de Duct Tape. Là encore, de la lumière serait produite comme le montre cette vidéo Youtube. Je dis “serait”, car j’ai essayé, et après avoir déroulé au moins trois rouleaux sans rien voir, j’ai abandonné l’expérience. Mais bon, apparemment ça marche mieux dans le vide, ce qui n’était pas le cas de mon placard à balais de ma salle de manip, et en plus, ça a été publié dans Nature, je leur fais confiance.
Production de lumière lors du déroulage de scotch
Ces deux phénomènes, ainsi que d’autres du même ordre, ont été nommés sous le terme de triboluminescence (on voit aussi les termes de mécanoluminescence ou fractoluminescence). Ce terme est un beau mélange de grec (“τρίβειν”, frotter) et de latin (“lumen”, lumière), et suscitent un grand intérêt. En effet, qui dit production de lumière, dit production d’ondes électromagnétiques. Il y en a de toutes sortes, d’énergie variée, et notamment des rayons X. Le phénomène n’est pas encore parfaitement compris, mais les chercheurs supposent que les cassures violentes séparent les charges. Qui dit séparation de charge, dit champ électrique, ce qui met en mouvement les électrons. Ceux-ci rentrent alors en collision avec des atomes présents dans l’air, ce qui créé des ondes électromagnétiques, comme décrit dans le billet précédent sur les tubes de Crookes. Et, parmi ces ondes électromagnétiques, de la lumière visible (comme dans la vidéo ci-dessus), et des rayons X. Pas de panique si vous essayez chez vous cependant : les intensités sont minuscules, surtout lorsque c’est dans l’air et non pas dans le vide.

Mais… Il n’y a pas une contradiction ? Pourquoi ça marche mieux dans le vide ?

Effectivement, dans un vide total, les électrons ne rencontreraient pas d’atomes, donc pas de collision possible qui pourrait donner des rayons X. Mais en réalité, le vide n’est pas parfait. A très basse pression, les électrons se propagent en moyenne sur une distance plus grande que dans l’air avant de rentrer en collision avec un atome : ils ont été accéléré plus longtemps, donc les collisions sont plus “violentes”, d’où la production de rayons X. Bref, grâce à ce phénomène, on pourrait ainsi produire des rayons X facilement à des fins de radiographie. En physicien de l’Université de Californie (Seth Putterman) a d’ailleurs lancé une start-up sur le sujet, et a déposé un brevet sur le sujet dès en 2008.
Vidéo des fondateurs de la startup
Son équipe a même réussi à faire des radiographies d’un doigt faites grâce à ce mécanisme. Tribolum_Xray2.png
La fameuse radiographie du doigt. Moi non plus je ne suis pas très impressionné par la qualité du cliché, mais ça a l’air de marcher (source)

Donc demain, pour faire une radio du genou, on déroulera un rouleau de sotch ?

Si le concept fonctionne correctement, l’intérêt serait d’avoir un appareil de radiographie beaucoup plus léger, consommant moins d’énergie, émettant moins de chaleur… On peut même imaginer une version portable, qu’un médecin pourrait emporter sur place en cas d’urgence. Mais en attendant, il y a encore du boulot : les intensités obtenus sont environ 10.000 fois inférieures à celle utilisés dans les radiographes “traditionnels”. Mais les chercheurs y travaillent, et ont annoncé que le dispositif final ne comporterait pas de scotch (mais sans révéler ce qu’ils utiliseront à la place…).

Références

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Ces chimpanzés qui veulent se faire manger

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La sélection cérébrale de la semaine (numéro 79)

Voici ma sélection des articles publiés la semaine du 25 janvier au 1 février 2016 dans le domaine des neurosciences. Dans le monde animal, avoir un gros cerveau, n’est pas systématiquement synonyme d’intelligence. Une étude récente vient de montrer que la capacité à résoudre des problèmes serait liée au rapport existant entre la taille du cerveau comparé à celle du corps. Ainsi, ce ne serait pas la taille du cerveau qui importerait, mais plutôt la proportion de celui-ci comparé au reste de l’organisme. Des scientifiques … Continuer la lecture de La sélection cérébrale de la semaine (numéro 79)
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La sélection cérébrale de la semaine (numéro 78)

Voici ma sélection des articles publiés la semaine du 18 au 25 janvier 2016 dans le domaine des neurosciences. Dans la sélection cérébrale (numéro 61), je mentionnais l’histoire fascinante de cet homme qui était convaincu que son reflet dans le miroir était, en réalité, son double vivant avec lui. Aujourd’hui, je vous présente l’histoire de cet homme convaincu que son chat avait été remplacé par un sosie. En parlant d’animaux, les chercheurs ont longtemps pensaient que l’empathie était l’apanage des animaux intellectuellement élevés, tels les singes ou … Continuer la lecture de La sélection cérébrale de la semaine (numéro 78)
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Mars est pour les mangeuses de viande qui se lèvent tard

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975483756.jpgAller sur Mars ne va pas être à la portée de tout le monde. Comme pour toute mission spatiale, il faut bien sûr penser à une sélection rigoureuse, mais aussi à certains critères qui ne semblent pas forcément évidents à première vue. Ainsi, en 2014, la chroniqueuse scientifique américaine Kate Green suggérait que le premier Homme sur Mars devrait être une femme. Et elle utilisait pour cela des arguments de poids : les femmes auraient le coeur plus solide, supporteraient mieux les vibrations et les radiations, mais, surtout, consommeraient beaucoup moins de calories que les hommes, ce qui sur une mission longue peut représenter pas mal d’économies en nourriture embarquée. L’astronaute martien idéal serait donc une astronaute. Mais elle devrait aussi être lève-tard. Pourquoi ? Il s’agit là d’une conclusion (peut-être hâtive) tirée d’une étude sur le rythme circadien des souris, ou pour simplifier sur l’adaptation de ces rongeurs au cycle de 24 heures des jours terrestres. L’étude en question n’aurait pas forcément retenu l’attention des amateurs de voyages spatiaux si elle n’avait pas des implications directes sur l’adaptation à la vie martienne. L’étude, publiée dans la revue PNAS, montre comment les souris à l’horloge biologique la mieux calquée sur le cycle journalier de 24 heures sont en meilleure forme que celles qui ont des rythmes qui s’en détachent davantage. Le rapport avec les astronautes ? Il semblerait bien qu’il y ait une importance à avoir un rythme biologique synchronisé avec la rotation de la planète sur laquelle on se trouve. Or, Mars et la Terre ne tournent pas à la même vitesse, et un “jour” martien est plus long d’une quarantaine de minutes. Cela favoriserait donc ceux (et celles) dont l’horloge interne est un peu plus lente. Le professeur Andrew Loudon, de l’université de Manchester, co-auteur de l’étude, admet quela vitesse de rotation de Mars peut être dans les limites de l’horloge interne de certaines personnes, mais celles avec des horloges courtes, comme les types extrêmes du matin, vont probablement rencontrer de sérieux problèmes sur le long terme, et seront peut-être exclues de tout plan de la NASA pour envoyer des humains sur Mars“. Et d’ajouter que “les personnes avec des horloges internes anormalement lentes seront les plus à-même de vivre là-bas“. Une femme qui n’aime pas se lever tôt : on a déjà le début du le portrait-robot du participant idéal à la conquête martienne. On ajoutera que cette conquérante de la planète rouge ne devra pas avoir d’allergies alimentaires, ni même d’habitudes végétariennes. En effet, il est loin d’être aisé de préparer des menus pour astronautes, surtout pour un long voyage. Ils doivent être équilibrés, et les recettes standard contiennent de la viande. Comme l’explique Vickie Kloeris, nutritionniste à la NASA, “Si vous deviez envoyer un végan ou un astronaute ne tolérant pas le gluten ou le lactose, il faudrait faire d’énormes aménagements spéciaux pour cette personne. Cela coûterait beaucoup d’argent supplémentaire“. Quand on sait que les budgets des missions spatiales sont plus serrés qu’un expresso italien, on imagine déjà la décision de la NASA… Petit bémol, cependant : si celles (ou ceux) qui iront sur Mars devront manger de la viande pendant le voyage, il faudra peut-être qu’elles apprennent à se contenter de légumes une fois sur place, si elles doivent rester longtemps. On voit mal les premières occupantes des bases martiennes élever des vaches et des poules pour la boucherie, et le végétarisme risque alors d’être nécessaire. A moins de se mettre à la purée d’insectes…   Photo : NASA   Continue reading

Le scanner à rayons X de demain ? (1/2)

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Des chercheurs essaient de comprendre depuis quelques années les mécanismes à l’oeuvre lorsqu’on déroule un rouleau de scotch. Ne riez pas, ça mènera peut-être à une nouvelle technologie de scanners à rayons X. Mais pour voir en quoi cette nouvelle technologie est intéressante, voyons d’abord comment fonctionne les scanners actuels…

La première génération : les tubes de Crookes

Les tubes à rayons X actuels, qui servent à faire des radiographies, fonctionnent peu ou prou de la même façon depuis un siècle, avec la première radiographie prise par Wilhem Röntgen. A cette époque, on utilisait les tubes de Crookes, du nom de leur inventeur, William Crookes. Ceux-ci sont constitués d’une ampoule en verre dans lequel on a fait un vide partiel, d’une centaine de Pascals à l’époque à quelques dixièmes de Pascals aujourd’hui. Ces tubes sont parfois encore utilisés pour des applications spécifiques, mais on leur préfère généralement les tubes de Coolidge.
Un tube de Crookes en fonctionnement

Les tubes de Coolidge, le niveau supérieur

Par la suite, ces tubes ont été améliorés, et William Coolidge – oui, encore un William, mais ne vous inquiétez pas, c’est le dernier de ce post – propose ce qu’on appellera les tubes de Coolidge en 1913. Il s’agit encore d’un tube, mais avec un vide plus poussé, de l’ordre de du micropascal. Ce tube comprend un filament servant de cathode et une plaque métallique faisant office d’anode. Lorsque le filament est chauffé, des électrons sont éjectés dans de multiples directions ; cependant, le champ électrique intense entre la cathode et l’anode accélère ces électrons vers l’anode. Deux phénomènes peuvent mener à la production de rayons X : (1) la trajectoire initiale des électrons est courbée par le champ électrique (2) les électrons entrent en collision avec les atomes de l’anode. x-ray-diagram.jpg
On peut distinguer sur ce schéma la cathode, le faisceau d’électrons, l’anode, et les rayons X émis (source)
Dans le premier cas, il s’agit d’un phénomène que les scientifiques appellent par le nom barbare de Bremsstrahlung (ou rayonnement de freinage dans la belle langue des Fatals Picards). Lors que les électrons sont déviés, quelle qu’en soit la raison, ils perdent de l’énergie : celle-ci est émise sous la forme d’ondes électromagnétiques dont des rayons X. Dans le deuxième cas, les électrons peuvent être absorbés par des atomes de l’anode, mais seulement s’il a la bonne quantité d’énergie. Une fois absorbé, l’atome est excité, et peut être désexcité en émettant justement un rayon électromagnétique d’énergie précise, notamment des rayons X. coolidgege.jpg
Un tube de Coolidge, où l’on distingue à gauche, au sein de l’ampoule, l’anode, et sur la droite, le filament servant de cathode (source)

L’utilisation en radiographie médicale

Pour une radiographie médicale, on préfère avoir des rayons X d’énergie précise, pour avoir des radiographies de bonne qualité, et dans une seule direction, afin de concentrer les rayons vers le patient. Ainsi, les rayons X produits par le Bremsstrahlung dégradent le plus souvent les images, et on essaie de filtrer tous les rayons X d’énergie à éviter grâce à des blocs solides placés à la sortie du faisceau. Dans l’une des configurations les plus courantes (les tubes à fenêtre latérale), on place l’anode avec un certain angle par rapport au faisceau d’électrons, si bien que la plupart des rayons X de collisions partent dans la direction du patient. Intuitivement, on l’aurait placée à 45°, mais la réalité physique est un peu plus compliquée, et la “meilleure” valeur se situe plutôt autour de 10 degrés. De plus, on place des collimateurs, c’est à dire des blocs de plombs, pour filtrer les rayons X qui ne partent pas tout à fait dans la bonne direction. Un élément qui va capter les rayons X est placé de l’autre côté, derrière le patient. Pour une radiographie simple, ça peut être un simple négatif de photographie qui va s’assombrir lorsque des rayons X l’atteignent. Cependant, on utilise de plus en plus des capteurs numériques pour obtenir directement une image sur ordinateur.
Le principe de fonctionnement expliqué en à peine plus d’une minute.

Un problème ? Quel problème ?

Si ces tubes parviennent à faire des images de haute qualité aujourd’hui, le rendement énergétique est effroyable :
  • On dépense beaucoup d’énergie pour chauffer un filament, et une petite partie de cette énergie sert effectivement à éjecter des électrons
  • Parmi les électrons émis, (quasiment) seuls ceux qui vont effectivement rentrer en contact avec l’anode pour produire des électrons seront réellement utiles.
  • Parmi les rayons X émis par l’anode, on ne prend que ceux qui partent dans la bonne direction
Ces effets combinés font que plus de 99% de l’énergie consommée par l’appareil ne sert pas à produire de rayons X utiles… En d’autres termes, un appareil de radiographie, c’est une sorte de gros chauffage électrique. De plus, la demande énergétique empêche d’alléger l’appareillage et de le rendre facilement utilisables dans une ambulance par exemple (les Petites Curies étant plutôt des appareils pour transporter des appareils de radiologie sur place). Les appareils actuels sont donc en pratique souvent massifs, peu transportables. x-ray-machine.jpg
Photo d’un appareil de radiographie médical typique (source).
Cependant, comme dit au début de ce billet, des chercheurs ont récemment proposé une façon bien différente de faire des radiographies… Continue reading

La sélection cérébrale de l’année (2015)

Voici ma sélection des articles publiés au cours de l’année 2015 dans le domaine des neurosciences. Découvertes marquantes Cette année, énormément de découvertes fascinantes ont permis de faire avancer la compréhension du fonctionnement de notre cerveau et un certain nombre d’entre elles ont été recensées semaine après semaine dans la sélection cérébrale. Science-fiction D’autres recherches moins marquantes méritent tout de même d’être citées, car elles sont tellement extraordinaires qu’elles semblent sortir d’un film de science-fiction. Cette année il a été question de vie éternelle avec cette neuroscientifique anglaise prétendant … Continuer la lecture de La sélection cérébrale de l’année (2015)
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