La physique médicale est une branche de la physique appliquée qui regroupe les applications de la physique en médecine. Elle concerne essentiellement les champs de la radiothérapie, de l'imagerie médicale, de la médecine nucléaire et de la radioprotection. Le physicien médical, anciennement appelé radiophysicien. ou physicien d'hôpital ., est la personne experte des activités de physique médicale. Il est responsable des aspects techniques relatifs à la production et l'utilisation médicale des rayonnements ionisants ou non au sein de l'établissement de santé., ainsi que de l'optimisation et/ou de la planification des tâches associées à la physique médicale. Le physicien médical est un professionnel de santé inscrit dans le code de la santé public..
Un service de physique médicale est généralement basé dans un établissement de soin ou dans une université et son action peut s'étendre de la pratique clinique, au développement technologique et à la recherche.
Histoire de la physique médicale La terminologie « physique médicale » apparait en 1779 grâce à Félix Vicq d’Azyr, secrétaire de l’Académie royale de médecine, dans une revue intitulée « Les Mémoires de Médecine et de Physique Médicale »..
Genèse : découverte des rayons X et de la radioactivité vignette|upright|Le premier cliché anatomique radiographique par Wilhelm Röntgen.
Les débuts de la physique médicale sont la conséquence des travaux de Wilhelm Röntgen sur les rayons X. En 1895, il étudie les rayons cathodiques découverts par Johann Wilhelm Hittorf en 1869. Au cours de ses différents essais, en déchargeant le courant d'une bobine de Ruhmkorff dans un tube à vide placé dans une boite en carton, il parvient à observer la fluorescence d'un écran de platinocyanure de baryum situé à l'extérieur de celle-ci .. Il remarque ainsi que ces rayonnements sont capables de traverser la matière. Il renouvelle l'expérience avec plusieurs matériaux dont du papier, du caoutchouc, du verre ou du bois puis observe des différences de densité sur l'écran lorsqu'il place sa main devant le tube. Cette observation des « ombres plus sombres de l'os sur l'image que les ombres de la main » va devenir le principe de la radiographie. D'autres essais le conduise à l'utilisation de films photographiques dont les premiers clichés anatomiques radiographiques sur sa femme Anna Berthe Roentgen le .. Wilhelm Röntgen reçoit le premier prix Nobel de physique en 1901 « en témoignage des services extraordinaires rendus par sa découverte des remarquables rayons ultérieurement nommés d'après lui. ».
À la suite de la découverte de Wilhelm Röntgen, Henri Poincaré communique les résultats à l'Académie des sciences lors d'une séance hebdomadaire.. Étant présent, Henri Becquerel décide de chercher un lien entre les rayons X et le phénomène de fluorescence. Il utilise pour cela des sels d'uranium préalablement exposé à la lumière du soleil puis placé contre des plaques photographiques recouverts d'un carton noir. L'impression de ces dernières lui permet de conclure que les sels sont émetteur de rayons X. La semaine suivante, à cause de conditions météorologiques défavorables, Henri Becquerel ne peut renouveler son expérience d'expositions des sels au soleil. Il les range avec les plaques photographiques dans un tiroir. Décidant de développer les plaques non utilisées, il découvre leur impression malgré le fait que les sels d'uranium — non exposés au soleil — n'étaient pas fluorescent. Il en conclut que le rayonnement émis par l'uranium n'est pas lié à sa fluorescence. Ce rayonnement est historiquement baptisé « rayonnement uranique » ou « rayon U » avant d'être appelé radioactivité. Marie Curie, jeune épouse de Pierre Curie soutient une thèse sur les recherches d'Henri Becquerel, et démontre la radioactivité d'autres éléments comme le thorium, le polonium en 1898 ou encore le radium. Tous ces travaux, à l'origine de la découverte de la radioactivité, ont été récompensés du prix Nobel de physique en 1903 « en témoignage des services extraordinaires rendus par sa découverte de la radioactivité spontanée. » pour Henri Becquerel et « en témoignage des services extraordinaires rendus par leurs recherches conjointes sur les phénomènes radiatifs découverts par le Professeur Henri Becquerel » pour Pierre et Marie Curie.
Ces découvertes ont fait évoluer la physique nucléaire et atomique. Leurs applications à la médecine vont rapidement se développer en commençant par l'imagerie médicale dont les premières radiographies sont largement reprises dans la presse et attire un large public.
Premières applications médicales vignette|upright|gauche|Georges Chicotot en 1907, un des pionniers de la radiothérapie.
La première application des rayons X à la médecine est celle de la radioscopie et de la radiologie.. Seulement deux semaines après la publication des travaux de Wilhelm Röntgen le docteur Otto Walkhoof réalise la première radiographie dentaire. L'imagerie médicale se développe rapidement dans le monde en 1896 avec notamment l'installation d'un appareil radioscopique à l'hôpital Tenon pour le dépistage de la tuberculose.
L'année suivant la découverte de Wilhelm Röntgen, en à Lyon, le docteur Victor Despeignes décide d'utiliser des rayons X émis sous une tension de trente kilovolts pour traiter un patient atteint d'une tumeur à l'estomac. Avec deux séances de trente minutes pendant huit jours, la tumeur est réduite mais d'autres signes cliniques apparaissent. Le patient finit par mourir quelques jours plus tard, mais il s'agit du premier traitement par radiothérapie. En novembre de la même année, le même type de traitement est effectué, par Léopold Freund à Vienne sur une lésion cutanée d'un enfant de quatre ans.. Le premier rapport traitant d'une guérison consécutive à un traitement par radiothérapie date de 1899 pour une tumeur cutanée..
Dès 1901, Pierre Curie suggère à Henri-Alexandre Danlos, alors physicien et dermatologue. à l'hôpital Saint-Louis de Paris, de placer des tubes de radium dans les zones tumorales.. Deux ans plus tard, et d'une manière indépendante, Alexander Graham Bell propose la même application. Le résultat de ces deux essais est le rétrécissement de la masse tumorale. Il s'agit donc des premières applications de la curiethérapie.
Le développement simultané de ces diverses applications de traitement et la rapide prise de conscience des dommages que peuvent provoquer les rayons X ou les rayons gamma du radium obligent les physiciens à devoir caractériser ces rayonnements. Ainsi, les médecins et les physiciens s'accordent sur la nécessité d'avoir des rayonnements thérapeutiques « sélectifs, ciblés et bien dosés ». La difficulté d'avoir les connaissances conjointes suffisantes de la médecine et de la physique vont faire apparaitre, dans les années 1920, les premiers physiciens spécialisés dans les applications médicales des rayonnements ionisants.
Spécialisation de la physique médicale thumb|Tube à rayons X de 200 kV en 1938.
Le premier physicien nommé dans un hôpital est Sidney Russ en 1913 au Middlesex Hospital de Londres. Il y était depuis 1910 chargé de recherche.. À cette époque, très peu d'organisations professionnelles existent et la majorité d'entre elles sont de corps médical. En 1920, l'Institut britannique de la radiologie offre un statut équivalent entre les physiciens et les médecins généralistes. L'Institut met également en place quelques programmes de formation. Durant les premières années, l'activité principale des physiciens médicaux concerne la mesure de radioactivité et des rayons X pour la radiothérapie et la radioprotection. Pour mettre un cadre autour de ces travaux, des organisations internationales voient le jour à cette époque. La Commission internationale des unités et mesures radiologiques est fondée en 1925 puis la Commission internationale de protection radiologique en 1928. La première a pour objectif d'élaborer des recommandations adaptées à l'échelle internationale concernant la définition de grandeurs et d'unités de mesure des rayonnements ionisants, la seconde établi les normes et publie des recommandations concernant la protection radiologique.
L'Association des physiciens d'hôpitaux du Royaume-Uni nait en 1943, une année où sont recensés cinquante trois physiciens dans le pays.
Mise en place des normes Une de premières étapes de la caractérisation des rayonnements est la définition d'une unité de mesure. La première est proposée en 1918., il s'agit du rad — acronyme de « Radiation Absorbed Dose » — qui est défini comme « la quantité de rayons X qui, étant absorbée, peut causer la destruction des cellules en questionDe l'anglais : ». La seconde unité est discutée lors de premier Congrès international de radiologie de Londres en 1925 mais acceptée lors du congrès suivant en 1928.. Il s'agit du röntgen qui « est la quantité de rayons X qui (…) induit une unité de charge électrostatique dans un centimètre cube d'air sec à pression et température normalesDe l'anglais : ». La validité de cette définition est étendue aux rayons gamma en 1934 lors du quatrième congrès à Zurich puis mise en œuvre lors du suivant à Chicago en 1937.
Le est un institut britannique spécialisé dans les normes de mesure. Lors de la définition de la dose unitaire — le röntgen — en 1928, un service d'étalonnage pour les hôpitaux a été créé. Le premier système dosimétrique était sous forme de pastille, avant la mise en place de dosimètre.
Lors de la publication de la théorie de Bragg–Gray en 1935, les chambres d'ionisation se répandent dans la pratique de la physique médicale pour devenir l'instrument de mesure le plus couramment utilisé.
Nouvelle ère, les télécobalts et les accélérateurs linéaires Les effets des radiations pour le traitement des cancers ont été démontrés, cependant, l'énergie des sources de radium utilisées jusqu'alors ne permettent pas un traitement en profondeur.. Des études menées par l'équipe du physicien Glenn Theodore Seaborg au Laboratoire national Lawrence-Berkeley à partir de 1941 ont permis de produire les premières sources de cobalt 60 et qui sont destinées à remplacer le radium. Les sources sont proposées dès 1949 dans les hôpitaux puis d'autres études sont effectuées conjointement aux États-Unis et au Canada pour concevoir un appareil de télécobalt. Le premier traitement avec cet appareil est effectué à London au Canada en . Le nombre d'appareils en activité dans les cliniques et les hôpitaux se développe rapidement, surtout aux États-Unis où 150 sont recensés en 1955.
Dans le même temps, grâce à l'invention de la cavité résonnante et du magnétron les accélérateurs linéaire se développent. Leur application à la médecine débute en 1952 au Royaume-Uni. avec une machine de . L'année suivante, des accélérateurs de sont commercialisés. Des travaux sont effectués sur les tubes klystron notamment par Varian aux États-Unis et CSF en France. L'augmentation de leur puissance permet de créer de nouveaux appareils plus puissants et de commercialiser les premiers accélérateurs à tube klystron en 1956.
Applications de la physique médicale Les principaux domaines d'activité de la physique médicale en milieu hospitalier sont la radiothérapie, l'imagerie médicale, la médecine nucléaire et la radioprotection.. En 2008, la répartition des effectifs dans les services est estimée à 85 % en radiothérapie, 10 % en imagerie et 5 % en médecine nucléaire..
Radiothérapie vignette|Mise en place d'une patiente traitée pour un cancer du sein par un accélérateur linéaire d'électrons en radiothérapie.
La majorité de l'activité de physique médicale, gérée par les physiciens médicaux, concerne la radiothérapie. Elle se compose de différents domaines que sont la métrologie des radiations ionisantes, la planification des traitements, les contrôles qualité et la radioprotection.