Cours de Biophysique Médicale

Biophysique Médicale : Aide-mémoire

La Biophysique est la science qui étudie les phénomènes de la vie par les méthodes de la physique. Elle est fondamentale pour comprendre la physiologie, la physiopathologie et les diagnostics médicaux.

• Objectif : Objectiver l'intégration de la science fondamentale à la médecine pour permettre une compréhension des mécanismes biologiques et des bases physiques de l'imagerie médicale et de la radiothérapie.

I. Grandeurs, Unités S.I. et Notions Mathématiques

• Logarithmes et Exponentielles : Fondamentaux pour la manipulation des échelles en biophysique.

  • Logarithme décimal () et népérien ()

  • Conversion : et

  • Propriétés clés : ,

II. Structure de la Matière

• Atome : Plus petite quantité de matière, indivisible, électriquement neutre.

  • Constitué d'un noyau (protons et neutrons) et d'un cortège électronique (électrons).

  • Particules élémentaires : Fermions (leptons et quarks) et leurs antiparticules.

  • Vecteurs d'interaction : Graviton, Photon, Boson (faible), Gluon (forte).

• Nucléides : Caractérisés par (nombre de masse) et (numéro atomique).

  • Isotopes : Même , A différent (ex: H, D, T).

  • Isobares : Même , Z différent.

  • Isomères : Même et , mais états énergétiques différents (ex: ).

• Molécule : Combinaison d'atomes, unité stable conservant ses propriétés.

• Unités Particulières :

  • Charge électrique : .

  • Unité de Masse Atomique (uma) : .

  • Électronvolt (eV) : .

III. Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) : Bases et Applications

La RMN, basée sur l'hydrogène, est essentielle pour l'IRM et la spectroscopie.

• Principe : Les protons d'hydrogène (spin) s'alignent dans un champ magnétique (), puis sont excités par une onde radiofréquence (). Leur retour à l'équilibre émet un signal.

• Phénomènes clés sous :

  • Répartition en spin up (basse énergie, stable) et spin down (haute énergie).

  • Mouvement de précession autour de à la fréquence de Larmor.

• Résonance : Transfert maximal d'énergie quand la fréquence de correspond à la fréquence de Larmor.

  • Conséquences : Nutation (bascule de à ), cohérence de phase, absorption d'énergie.

• Relaxation : Retour à l'équilibre après arrêt de par émission d'énergie.

  • Relaxation longitudinale (T1) : Récupération de , temps spin-réseau (seconde). Pas de signal RMN direct.

  • Relaxation transversale (T2) : Décroissance de , temps spin-spin (milliseconde). Émet le signal RMN (FID).

• Signal FID : Onde sinusoïdale amortie, amplitude dépend de la densité de protons, de et de l'environnement (T1, T2 courts).

• Applications médicales :

  • IRM : Imagerie anatomique basée sur densité de protons et temps T1/T2.

  • IRM de flux : Visualisation des fluides (sang).

  • IRM fonctionnelle : Visualisation de l'activité cérébrale (consommation O2/glucose).

  • Spectroscopie RMN : Identification de corps chimiques (fréquence de Larmor modifiée).

IV. Biophysique Sensorielle de l'Audition – Impédancemétrie

L'audition est la transformation d'un signal mécanique en sensation sonore par l'oreille.

• Chaîne auditive :

  1. Recueil et transmission (OE, OM)

  2. Transduction (cochlée) : Mécanique Électrique.

  3. Transmission nerveuse (nerf auditif).

  4. Interprétation (cortex auditif, Aire 41 de Brodman).

• Paramètres physiques du son :

  • Onde acoustique : Vibration sinusoïdale longitudinale, se propage dans un milieu matériel.

  • Fréquences audibles : 16 Hz à 20 kHz.

  • Impédance acoustique (Z) : Résistance du milieu à la propagation du son ().

  • Intensité acoustique : Qualité physiologique (fort/faible), mesurée en dB ().

• Anatomie fonctionnelle de l'oreille :

  • Oreille Externe (OE) et Moyenne (OM) : Capteur et adaptateur d'impédance (chaîne ossiculaire).

  • Oreille Interne (OI) (cochlée) : Transducteur (cellules ciliées) via la membrane basilaire.

• Potentiels Cochléaires :

  • Potentiel de Sommation (CCI) : Accessoire.

  • Potentiel Microphonique Cochléaire (CCE) : Rôle majeur, non propagé, modulé, sans seuil.

• Psycho-acoustique : Étude des sensations auditives.

  • Tonie (hauteur) : Fonction de la fréquence.

  • Sonie (intensité) : Fonction de la puissance acoustique.

  • Timbre : Richesse harmonique.

  • Diagramme de Wegel : Délimite le champ auditif (seuil absolu 0 dB à 1000 Hz, seuil douloureux 120 phones).

• Explorations fonctionnelles (surdité) :

  • Subjectives (coopération patient) :

    • Acoumétrie (vocale, instrumentale: Rinne, Weber).

    • Audiométrie tonale liminaire (détermine seuil absolu, audiogramme).

    • Audiométrie tonale supraliminaire (Test de Fowler, recherche recrutement).

  • Objectives (pas de coopération) :

    • Electrocochléographie (PAG du nerf auditif).

    • Electroencéphalographie (Potentiels Évoqués Auditifs).

• Impédancemétrie (Tympanométrie) : Mesure de la compliance du système tympano-ossiculaire en fonction de la pression.

  • Tympanogramme : Courbe de compliance vs pression. Son interprétation (hauteur, position du sommet, forme, gradient de Brooks) est clé pour diagnostiquer des troubles de l'oreille moyenne (ex: obstruction tubaire, otospongiose).

V. Pressions et Notions d'Hémodynamique

L'étude des fluides biologiques, notamment le sang, et de leurs propriétés sous pression.

• Unités de Pression :

  • Pascal (Pa) : .

  • Bar : .

  • Atmosphère : .

  • mmHg : .

• Pressions Physiologiques :

  • Pression Artérielle : Systolique , Diastolique .

  • Pression du LCR : .

  • Pression Intraoculaire : Normale .

• Viscosité () : Résistance à l'écoulement.

  • Liquide Newtonien : indépendant du gradient de vitesse (ex: eau).

  • Fluide Non Newtonien : dépend du gradient (ex: sang).

  • Unité : Poiseuille (kg.m.s).

  • Formule de Stokes : Résistance au déplacement .

• Hémodynamique :

  • Lois de Pascal : Pression hydrostatique uniforme à même niveau, augmente avec la profondeur.

  • Pression moyenne : Intégrale de la pression sur une période .

VI. Bases Physico-Chimiques de la Régulation Synaptique

La synapse est l'aire de jonction entre deux neurones (neuro-neuronale) ou entre un neurone et un muscle (neuro-musculaire).

• Eléments : Pré-synaptique (émet), Post-synaptique (reçoit).

• Transmission synaptique : Généralement chimique.

  • Un potentiel d'action (PA) pré-synaptique déclenche la libération de neurotransmetteurs (ex: Acétylcholine, Noradrénaline) via le calcium ().

  • Les neurotransmetteurs se fixent sur la membrane post-synaptique, modifiant sa perméabilité et générant un PA post-synaptique.

  • Les neurotransmetteurs sont ensuite détruits (ex: Cholinestérase pour l'Acétylcholine).

• Potentiels post-synaptiques : Excitateurs ou inhibiteurs, modifient la polarisation de la membrane.

VII. Électrophysiologie de la Fibre Nerveuse

Le neurone, unité fonctionnelle du tissu nerveux, transmet des signaux électriques (PA).

• Potentiel de Repos (PR) : Différence de potentiel de membrane au repos, .

  • Maintenu par la pompe Na-K ATP dépendante (3 sortent / 2 entrent).

  • Le sodium () est l'ion clé.

  • Le chlore () est l'ion diffusible prédominant au PR.

• Potentiel d'Action (PA) : Modification transitoire et propagée du potentiel de membrane suite à une stimulation supra-liminaire.

  • Lois de l'excitation : Seuil, rhéobase, loi du tout ou rien (pour une fibre), relation intensité-durée, chronaxie.

  • Phases du PA :

    • Dépolarisation (phase ascendante) : Entrée massive de .

    • Repolarisation (phase descendante) : Sortie de .

    • Hyperpolarisation (post-potentiel positif) : La DDP tend vers le potentiel de Nernst du .

  • Période Réfractaire Absolue (PRA) : Pas de réponse, correspond à la dépolarisation.

  • Période Réfractaire Relative (PRR) : Réponse possible avec stimulus plus fort.

  • Propagation :

    • Fibre amyélinique : De proche en proche par courants locaux.

    • Fibre myélinisée : Saltatoire (entre les nœuds de Ranvier), plus rapide et économe en énergie.

• Applications médicales : Mesure de la vitesse de conduction nerveuse (chronaxie), diagnostic des neuropathies, PEA en neuro-sensoriel.

VIII. Dosages Radioimmunologiques (RIA et IRMA)

Techniques de dosage très spécifiques, sensibles et précises basées sur la réaction antigène-anticorps et l'utilisation de produits radioactifs.

• Principes :

  • RIA (Méthode par Compétition) : Ag froid et Ag* (marqué) sont en compétition pour un nombre limité d'Ac. Signal inversement proportionnel à l'Ag à doser. Pour petits Ag (haptènes).

  • IRMA (Méthode Sandwich) : Excès d'Ac. Un Ac liant (fixé) capture l'Ag, puis un Ac* (marqué) se fixe sur l'Ag capturé. Signal directement proportionnel à l'Ag à doser. Pour Ag avec plusieurs épitopes, plus spécifique et sensible.

• Isotopes radioactifs : Tritium () (émetteur ), Iode 125 () (émetteur et RX, préféré).

• Facteurs influençant la réaction : Volume, pH (optimal autour de 7, diminue liaison si acide, augmente si basique), force ionique (inhibe si excessive), température (souvent 37°C), matrices biologiques, durée (équilibre).

• Contrôle de qualité : Répétabilité (CV<5%), Exactitude (critère entre 2-10%), Précision (reproductibilité).

• Applications médicales :

  • In vitro : Hormonologie (TSH, FSH), Cancérologie (marqueurs tumoraux), Diabétologie (insuline), Hématologie (vitamine B12), Allergologie (IgE), Pharmacologie.

  • In vivo : Immunoscintigraphie (immunolocalisation de tumeurs avec Ac marqués).

IX. Eau et Solutions

L'eau est le composé le plus abondant et essentiel de l'organisme.

• Répartition de l'eau : Variable selon âge et sexe (60% chez homme, 55% chez femme). Mesure par dilution de substances (antipyrine, isotopes H pour eau totale ; macromolécules pour plasma).

• Structure et Propriétés :

  • Molécule H2O : Dipolaire (angle 104°, moment dipolaire élevé 1.84 D), forte constante diélectrique (80), excellente solvant.

  • Liaisons hydrogènes : Expliquent ses propriétés physico-chimiques (structure pseudocristalline, chaleur spécifique élevée).

• Solutions Aqueuses :

  • Concentrations Particulières :

    • Molaire (), Ionique (), Équivalente (), Osmolaire () (avec coefficient de Van't Hoff ).

  • Concentrations Pondérales : (g/L ou g/kg).

X. Fluorescence

Phénomène d'absorption de radiations excitatrices suivi d'une émission de rayonnement de fluorescence lors du retour à l'état fondamental.

• Caractéristiques :

  • Durée brève (10 à 10 s).

  • Intensité proportionnelle à la radiation excitatrice (Rendement quantique de fluorescence).

  • Déplacement de Stokes : Spectre de fluorescence décalé vers des longueurs d'onde plus grandes que la radiation d'absorption.

• Applications :

  • Fluorimétrie : Identification et quantification de groupements fluorophores (ex: benzène, phénanthrène). Utilisation d'un fluorimètre (source UV, filtres, détecteur à 90°).

XI. Électrophorèse

Technique de séparation de macromolécules (colloïdes) chargées en solution sous l'effet d'un champ électrique.

• Principes :

  • Déplacement proportionnel à la charge électrique superficielle et dépend du pH du milieu.

  • Deux types :

    • En phase liquide : Dans un tube en U, soumise à des perturbations (agitation, courants de convection). Peu utilisée en routine.

    • Sur support solide : Plus simple (papier filtre, sels d'amidon, gels de polyacrylamide). Les molécules migrent à des vitesses différentes, permettant leur fractionnement.

• Electro-osmose : Déplacement du solvant dû aux charges du support, impacte la mobilité des protéines peu chargées.

• Applications Médicales :

  • Diagnostic de cirrhose : Taux d'albumine effondré, hypergammaglobulinémie (bloc Beta-gamma).

  • Maladie de Kahler : Pic exagéré de gamma globulines.

XII. Propriétés Électriques des Solutions Ioniques Aqueuses

Les solutions ioniques conduisent l'électricité en raison de la présence d'ions libres.

• Dissolution : L'eau, grâce à sa forte permittivité, réduit les forces de Coulomb et dissout les cristaux ioniques, libérant les ions.

• Solvatation : Les ions en solution s'entourent de molécules d'eau, affectant leur taille réelle et leur mobilité.

• Force Ionique () : Caractérise l'état électrostatique de la solution.

• Activité vs Concentration : Pour solutions diluées, Activité Concentration. Pour solutions concentrées, l'activité est toujours inférieure.

• Passage du Courant : Les solutions ioniques sont conductrices.

  • Conductivité électrique () : Inverse de la résistivité. Exprimée en Siemens/m.

  • Mobilité ionique (U) : Vitesse d'un ion dans un champ électrique unitaire. .

  • Nombre de transfert (, ) : Fraction du courant transportée par les cations/anions.

  • Loi de Kohlrausch : Permet de calculer la conductivité.

• Applications :

  • Diélectrolyse médicamenteuse : Faire pénétrer des médicaments ionisables dans l'organisme via des champs électriques.

  • Titrages et Dosages conductimétriques : Détermination de concentrations d'ions.

XIII. Tension Superficielle - Capillarité

Phénomènes liés aux forces d'attraction entre molécules aux interfaces.

• Tension Superficielle () : Force par unité de longueur à l'interface liquide-air (). Tends à réduire la surface libre.

• Loi de Laplace : Relie la différence de pression () à l'intérieur et à l'extérieur d'une surface courbe à la tension superficielle et aux rayons de courbure ( pour une goutte sphérique, ).

• Interfaces Solide-Liquide-Air :

  • Angle de raccordement () : Détermine si un liquide mouille ou non un support.

  • Capillarité (Loi de Jurin) : Ascension ou dépression d'un liquide dans un tube fin. .

XIV. Cœur : Activité Électrique - Électrocardiogramme (ECG)

Le cœur est une pompe automatique et excitable, dont l'activité électrique est enregistrée par l'ECG.

• Electrophysiologie Cellulaire :

  • PR : pour cellules myocardiques.

  • PA (5 phases) : Dépolarisation (entrée ), plateau (entrée ), repolarisation (sortie ).

  • Propriétés : Automaticité, Conductibilité, Excitabilité, Contractilité.

• Anatomie Fonctionnelle :

  • Tissu nodal (nœuds sinusal, auriculo-ventriculaire, faisceau de His, Purkinje) : Génération et conduction de l'influx.

  • Tissu myocardique : Contraction.

• Enregistrement ECG :

  • Hypothèses d'Einthoven : Cœur assimilé à un dipôle, centre électrique fixe, membres aux sommets d'un triangle équilatéral.

  • Étalonnage : Vitesse 25 mm/s (1 mm = 0.04s), 10 mm = 1 mV.

  • Électrodes : Membres (4), précordiales (V1-V6).

  • Dérivations : 6 membres (frontales: aVR, aVL, aVF unipolaires; DI, DII, DIII bipolaires) et 6 précordiales (horizontales).

• Tracé ECG normal :

  • Onde P : Dépolarisation auriculaire (durée , amplitude ).

  • Espace PR : Conduction auriculo-ventriculaire ().

  • Complexe QRS : Dépolarisation ventriculaire (durée , amplitude 5-20 mm).

  • Onde T : Repolarisation ventriculaire.

  • Segment ST : Fin de dépolarisation ventriculaire.

• Analyse ECG :

  • Fréquence cardiaque (60-100 batt/min).

  • Rythme (régulier, sinusal).

  • Axe électrique du cœur (0° à +90°).

  • État des cavités (recherche hypertrophie auriculaire/ventriculaire via indices de Lewis, Sokolow-Lyon).

  • Signes de souffrance myocardique : Ischémie (onde T inversée), lésion sous-endocardique (sous-décalage ST), infarctus (onde Q pathologique).

XV. Équilibre Vestibulaire

L'équilibre est assuré par la synergie de multiples récepteurs, notamment vestibulaires, proprioceptifs et extéroceptifs.

• Récepteurs Vestibulaires (dans l'oreille interne) :

  • Canaux Semi-Circulaires (CSC) : 3 CSC (vertical antérieur, vertical postérieur, horizontal) détectent les mouvements rotatifs de la tête via le déplacement de l'endolymphe et la stimulation des cupules/crêtes ampullaires.

  • Utricule : Détecte les accélérations linéaires verticales via l'otolithe et les cellules ciliées horizontales.

  • Saccule : Détecte les accélérations linéaires horizontales via l'otolithe et les cellules ciliées verticales.

• Nerf Vestibulaire : Relie les crêtes ampullaires et les macules au système nerveux central.

• Pathologies de l'Équilibration :

  • Cinétoses ("mal des transports") : Conflit entre informations vestibulaires et visuels.

  • Pathologie liée à l'apesanteur : Troubles corticaux (ex: mal de l'espace).

  • Nystagmus : Mouvements oscillatoires involontaires des globes oculaires. Peut être physiologique ou pathologique, utile pour diagnostiquer des lésions des CSC.

XVI. Imagerie Hybride ou Bi-Modalité : TEMP/TDM - SPECT/CT

Combinaison de deux modalités d'imagerie pour des informations complémentaires.

• TEMP/TDM (SPECT/CT) : Couple un Tomographe d'Emission Mono-Photonique (SPECT) à un Tomo-DensitoMètre (TDM ou CT).

  • SPECT : Imagerie fonctionnelle haute sensibilité (médecine nucléaire, traceurs comme Technétium-99m).

  • CT : Imagerie anatomique haute résolution (radiologique).

  • Objectif : Localisation exacte, forme, dimensions et précision structurale des lésions fonctionnelles.

• Indications :

  • Recherche/suivi métastases osseuses.

  • Mise au point douleurs osseuses (oncologie, orthopédie).

  • Détection scintilligraphique des ganglions sentinelles (localisation plus exacte).

  • Cancers thyroïdiens (localisation anatomique des foyers iodo-fixant).

  • Diagnostic d'embolies pulmonaires.

  • Recherche d'adénome parathyroïdien.

  • Masses surrénaliennes, tumeurs neuro-endocrines, œdèmes des membres.

XVII. Tomographie par Émission de Positons (TEP)

Technique d'imagerie fonctionnelle utilisant des radio-isotopes émetteurs de positons.

• Principe : Les positons s'annihilent en émettant deux photons gamma de 511 keV détectés en coïncidence.

• Radio-isotopes: Fluor-18, Gallium-68.

• Souvent combiné avec un CT (TEP/TDM ou PET/CT) pour une localisation anatomique précise.

XVIII. Radiothérapie - Curiethérapie : Bases Physiques

Utilisation des rayonnements ionisants (RI) à des fins thérapeutiques (antimitotiques, antalgiques).

• Radiothérapie Externe Transcutanée : Utilise des faisceaux de rayons X, électrons ou neutrons.

  • Objectifs : Détruire tumeurs ou reliquats avec dommages minimaux aux tissus sains. Atteindre un effet différentiel.

  • Facteur Spatial (Balistique) :

    • Nature des radiations : RX mous ou électrons pour tumeurs superficielles ; RX haute énergie ou pour tumeurs profondes.

    • Hadronthérapie (protons, ions carbone) : Dépôt d'énergie concentré (pic de Bragg), faible irradiation tissus sains.

    • Facteurs géométriques : Distance Source-Peau (DSP), faisceaux parallèles, collimateurs multilames, cyberknife.

  • Facteur Temporel (Fractionnement) : Répartition de la dose en plusieurs séances.

    • Restauration cellulaire et tissulaire : Tissus sains se réparent mieux.

    • Effet oxygène : Cellules tumorales mieux oxygénées deviennent plus sensibles après chaque séance.

    • Synchronisation et recrutement : Cellules en phase de division sont plus radiosensibles.

    • Optimisation du fractionnement : Environ 5 séances de 2 Gy/semaine sur plusieurs semaines.

  • Facteurs Adjuvants : Hormonothérapie, sensibilisateurs des cellules anoxiques, chimiothérapie.

  • Production des Rayonnements : Accélérateurs linéaires (RX, électrons), bombes au cobalt (), Gamma-Unit (cobalt 60 pour radiochirurgie).

  • Radiocurabilité : Dépend du volume tumoral, nature histologique (ex: séminomes vs carcinomes).

  • Dangers : Lésion des tissus sains, contre-indication grossesse.

• Curiethérapie (Irathérapie Vectorisée) : Utilise des radioéléments placés au contact ou au sein des tissus.

  • Sources scellées : Radioéléments dans des enveloppes étanches (ex: Iridium 192, Cobalt 60). Placées directement dans la tumeur.

  • Sources non scellées : Radioéléments introduits dans l'organisme.

    • Sélective (radiothérapie métabolique) : Le radioélément a un tropisme pour la lésion (ex: pour cancers thyroïdiens, pour polyglobulie, pour métastases osseuses).

    • Non sélective : Injection locale (ex: en curiethérapie articulaire).

  • Action biologique : Principalement par émission (peu pénétrante, effet très localisé).