L'interaction entre la matière et les rayons X pour le diagnostic médical

Introduction

Chaque jour, dans les hôpitaux et les cabinets médicaux, les rayons X sont utilisés pour explorer l’intérieur du corps humain. Grâce à leur capacité à traverser les tissus, ils permettent de réaliser des radiographies qui révèlent la structure des os et, dans une moindre mesure, celle des organes. Mais ces rayonnements ne servent pas uniquement à observer : à des doses beaucoup plus élevées, ils deviennent un outil thérapeutique en radiothérapie, utilisé pour détruire des cellules cancéreuses. Pour comprendre ce double usage, il faut d’abord examiner leurs caractéristiques et leur interaction avec la matière.

Caractéristiques des ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques sont des vibrations constituées d’un champ électrique et d’un champ magnétique, oscillant perpendiculairement entre eux et à la direction de propagation. Elles se déplacent dans le vide à la vitesse de la lumière, environ $3,0 × 10⁸~m/s$, et n’ont pas besoin de milieu matériel pour voyager, contrairement aux ultrasons qui nécessitent un support comme l’air ou les tissus.

Chaque onde est caractérisée par sa longueur d’onde ($λ$) et sa fréquence ($ν$), reliées par la relation fondamentale : $c = λ × ν$

où $c$ est la vitesse de propagation. Plus la fréquence est grande, plus la longueur d’onde est courte, et plus l’énergie transportée est élevée. Les rayons X appartiennent aux ondes de haute fréquence et de courte longueur d’onde, ce qui explique leur capacité à pénétrer la matière.

À retenir

Les rayons X se déplacent à la vitesse de la lumière et leur énergie est directement liée à leur fréquence et à leur longueur d’onde.

Positionnement des rayons X sur l’échelle électromagnétique

Le spectre électromagnétique s’étend des ondes radio, aux très grandes longueurs d’onde, jusqu’aux rayons gamma, aux longueurs d’onde les plus courtes. Les rayons X se situent entre l’ultraviolet et les rayons gamma : ils sont plus énergétiques que l’ultraviolet mais un peu moins que les gamma.

Il est important de préciser que les domaines de longueur d’onde des rayons X et des rayons gamma se chevauchent. Leur distinction ne repose pas sur la valeur exacte de l’énergie mais sur leur origine physique : les rayons X sont produits lors de phénomènes impliquant les électrons (freinage d’électrons, transitions dans les atomes lourds), tandis que les rayons gamma proviennent du noyau lors d’une désintégration nucléaire. Les deux sont donc de même nature physique — ce sont des rayonnements électromagnétiques — mais se différencient par leur mode de production.

À retenir

Rayons X et rayons gamma ont la même nature électromagnétique et des domaines de longueur d’onde proches, mais se distinguent par leur origine : électronique pour les X, nucléaire pour les gamma.

Principe et interprétation d’une radiographie

Lorsqu’un faisceau de rayons X traverse le corps, il est atténué de manière variable selon les tissus rencontrés. Cette atténuation dépend de trois facteurs principaux : le numéro atomique (Z) des éléments constitutifs du tissu, sa densité, mais aussi son épaisseur. Plus un tissu est épais, plus il absorbe de rayons X.

Ainsi, les os, riches en calcium et donc à fort numéro atomique, absorbent fortement le rayonnement et apparaissent blancs sur le cliché. Les tissus mous, constitués d’éléments plus légers comme le carbone, l’hydrogène ou l’oxygène, absorbent moins et apparaissent en nuances de gris. L’air, présent dans les poumons, absorbe très peu et se traduit par des zones sombres.

Les images obtenues révèlent parfois des signes pathologiques. Par exemple, dans une pneumonie, ce que l’on observe n’est pas directement « l’infection », mais des opacités pulmonaires, c’est-à-dire des zones blanches anormales dues à une inflammation ou à un comblement des alvéoles.

À retenir

L’absorption des rayons X dépend du numéro atomique, de la densité et de l’épaisseur des tissus. C’est cette absorption différentielle qui crée le contraste visible en radiographie.

Comparaison radiographie et radiothérapie

La même propriété des rayons X, leur pouvoir de pénétration, peut être utilisée soit pour observer, soit pour traiter. En radiographie, les doses sont extrêmement faibles, de l’ordre de quelques milli-gray (mGy). L’objectif est le diagnostic médical, l’exposition est ponctuelle et limitée. En radiothérapie, au contraire, les doses délivrées sont très élevées, de l’ordre de plusieurs dizaines de gray (Gy), et servent à détruire des cellules cancéreuses en ciblant une tumeur.

Il faut distinguer deux unités utilisées en médecine et en radioprotection. Le gray (Gy) mesure la dose absorbée, c’est-à-dire l’énergie déposée dans un kilogramme de tissu. Le sievert (Sv) tient compte des effets biologiques de cette dose, car un même rayonnement ne provoque pas toujours les mêmes conséquences sur l’organisme. En radiodiagnostic, on exprime généralement les expositions en sieverts, pour évaluer le risque biologique ; en radiothérapie, on raisonne en gray, car ce qui compte est l’énergie délivrée pour détruire les cellules cancéreuses.

Enfin, il est essentiel de rappeler le principe de radioprotection : le principe ALARA, qui signifie en français « aussi bas que raisonnablement possible ». Cela veut dire que, même pour de faibles doses, toute exposition aux rayonnements doit être justifiée (uniquement si l’examen est nécessaire), optimisée (réalisée avec la dose la plus faible possible) et limitée (réduite au strict nécessaire).

À retenir

La radiographie expose à de très faibles doses exprimées en sieverts, tandis que la radiothérapie délivre des doses très élevées en gray. Dans tous les cas, le principe ALARA — « aussi bas que raisonnablement possible » — impose de limiter l’exposition au strict nécessaire.

Conclusion

Les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques capables de traverser la matière et d’interagir avec elle en fonction du numéro atomique, de la densité et de l’épaisseur des tissus. En faible dose, ils sont un outil de diagnostic essentiel, permettant d’identifier des fractures ou des opacités pulmonaires. En dose élevée, ils deviennent un outil thérapeutique en radiothérapie, utilisé pour détruire les cellules cancéreuses. Dans tous les cas, leur usage repose sur une règle fondamentale de radioprotection : exposer le patient le moins possible, mais autant que nécessaire, conformément au principe ALARA, « aussi bas que raisonnablement possible ». Cette dualité illustre parfaitement comment un même phénomène physique peut, selon le contexte, contribuer à la fois à la connaissance du corps et à la lutte contre la maladie.