Chercher la tête d'une épingle
« La découverte de la tumeur mère est généralement assez facile et possible grâce à de nombreuses techniques. Mais découvrir toutes les métastases, dont beaucoup ont la taille d'une tête d'épingle, c'est très difficile », explique Martin Pärnaste, ingénieur en chef de la division Cyclotron Systems chez GE Healthcare à Uppsala, en Suède. La TEP aide à détecter de telles métastases, ce qui peut être d'une importance capitale pour la suite du traitement.
Tout comme les rayons X et la tomodensitométrie (ou scanner), la TEP produit ses images en utilisant une petite dose de rayonnement radioactif. Cependant, le rayonnement n'est pas émis par un appareil qui le dirige de l'extérieur vers le corps. Il provient plutôt de particules radioactives qui ont déjà été administrées au patient. Celles-ci sont généralement mélangées avec du glucose pour former ce qu'on appelle un agent de radiodiagnostic ou « traceur » pour être injectées dans le sang.
Une demie-vie courte
Des substances faiblement radioactives relativement inoffensives sont utilisées comme agent de diagnostic pour la TEP. Ces substances se décomposent rapidement et ne laissent aucun résidu critique. Dans environ 90 % des cas, il s'agit de l'isotope 18F de l'halogène fluor. Sa demi-vie n'est que d'environ 110 minutes, ce qui signifie qu'il a perdu pratiquement toute sa radioactivité en une seule journée. Mais d'autres isotopes à la demi-vie semblable sont également utilisés.
Comme les traceurs de TEP se décomposent très rapidement, ils ne peuvent pas être stockés comme les autres produits. Ils doivent être fraîchement fabriqués, peu de temps avant d'être utilisés dans un accélérateur de particules, le cyclotron. Celui-ci ne doit pas être situé trop loin du lieu d'utilisation car chaque minute compte, même celles de transport.
Course de particules sur une piste en spirale
Les premiers cyclotrons ont été construits dès les années 1930 par des pionniers de la physique des particules. Depuis lors, leur principe de fonctionnement a été maintes fois modifié et perfectionné - jusqu'au plus grand accélérateur de particules du monde, le CERN qui se trouve à Genève. La technologie a également fait ses preuves dans la technique médicale. Pour produire des isotopes pour la TEP, des ions d'hydrogène chargés négativement sont accélérés dans une chambre à vide à l'intérieur du cyclotron. Cela se fait au moyen de champs électriques maintenus sur une piste en forme de spirale par un champ magnétique puissant.
À la fin de cette trajectoire, les ions volent à travers une mince feuille de graphite, ce qui leur fait perdre leurs électrons et devenir des protons chargés positivement. Suite à cette inversion de charge, leur trajectoire en spirale se transforme en une ligne droite. L'orientation de la feuille conditionne la direction du faisceau de protons. Il est dirigé vers une chambre de réaction appelée cible, dans laquelle se trouve le matériau source des isotopes. Le faisceau de protons y déclenche une réaction nucléaire et produit les isotopes nécessaires à partir du contenu de la cible.
Il y a quelques années, M. Pärnaste et son équipe ont été chargés d'améliorer encore la réaction et de développer une machine aussi petite et économique que possible. L'objectif était de faciliter l'accès clinique aux isotopes de TEP et de rendre cette méthode d'imagerie encore plus accessible. Le résultat du développement a été nommé GENtrace et a été lancé avec succès en 2017.
Une technologie d'entraînement sans aimant
Afin de produire la plus grande quantité possible d'isotopes ou des isotopes à partir de différents éléments en un seul passage, le nouveau cyclotron possède trois cibles. L'orientation du faisceau doit donc être variable pour qu'il puisse atteindre les trois cibles. Pour ce faire, le support sur lequel la feuille de graphite est fixée est déplacé au moyen d'un moteur.
Cependant, il règne à l'intérieur d'un cyclotron des conditions auxquelles les moteurs électriques conventionnels peuvent difficilement faire face : des champs magnétiques, le vide, des champs électriques et des rayonnements perturbent leur fonctionnement ou le rendent totalement impossible. C'est pourquoi le moteur qui dirige le faisceau est normalement situé à l'extérieur du cyclotron proprement dit. Son mouvement est ensuite transmis au support de la feuille au moyen d'une construction mécanique complexe. Cela présente des inconvénients importants, notamment le jeu mécanique et l'étanchéité importante qui s'avère nécessaire puisque des pièces mobiles traversent la paroi d'une chambre à vide.
Ces inconvénients sont éliminés si un moteur piézoélectrique est utilisé. Son principe fonctionnel le rend insensible aux conditions inhospitalières du cyclotron. Contrairement à un moteur électrique classique, il ne nécessite ni composants magnétiques ni pièces rotatives pour convertir le courant électrique en mouvement. Son principe de fonctionnement est basé sur le fait que la forme d'un élément piézocéramique change lorsqu'une tension lui est appliquée.
Pour ces raisons, le moteur piézoélectrique peut être placé directement au point de déflexion, puisque ni les champs, ni le rayonnement ni encore le vide ne peuvent nuire à son fonctionnement. Il suffit de faire passer les câbles d'alimentation et de commande dans la chambre à vide. Et comme ceux-ci sont immobiles, l'étanchéité est alors simple.
La technologie du voisin
Les experts de GE Healthcare avaient pris connaissance de la technologie de PiezoMotor grâce à un article paru dans une revue spécialisée. Le hasard a voulu que les deux sociétés sont basées à Uppsala. « Après avoir testé plusieurs micromoteurs et solutions de mouvement, nous avons finalement fait une percée dans le développement. Dans la conception finale, nous utilisons deux moteurs de PiezoMotor, un moteur linéaire de 20 N pour déplacer le faisceau de protons et un moteur rotatif non magnétique d'un couple de 50 mNm pour ajuster l'extraction ionique », explique M. Pärnaste.
Ce deuxième entraînement situé à l'intérieur du cyclotron est responsable du positionnement de la source d'ions. Afin d'extraire autant d'ions que possible du cyclotron à l'aide d'une électrode, la position relative entre la source et l'électrode doit être constamment réajustée. Grâce au moteur piézoélectrique, cela est désormais possible pendant le fonctionnement, ce qui réduit également considérablement le temps de maintenance pour l'étalonnage du système.
« PiezoMotor propose une large gamme de produits modulaires. Nous avons trouvé de nombreuses options pour des moteurs linéaires et rotatifs aux différentes propriétés, parmi lesquelles nous avons pu sélectionner les modèles appropriés, raconte M. Pärnaste. PiezoMotor dispose par ailleurs d'une équipe d'ingénieurs très compétents qui ont beaucoup contribué au processus de développement de notre produit. »