William David Coolidge et l’âge d’or de la radiographie dentaire

 

William David Coolidge, est né le 23 octobre 1873 à Hudson dans le Massachusetts.

Coolidge était le fils unique d’une famille de modeste fermier. Après avoir suivi les cours de l’école publique locale, il obtient une bourse de cet état pour rentrer au « Massachusetts Institute of tehnology » en 1891. Il étudie la physique, la chimie et l’ingénierie électrique et reçoit le diplôme de « Bachelor of Science « en 1896..

Il achève avec une nouvelle bourse ses études en Allemagne à l’Université de Leipzig où il entreprend des études de Physique sous la direction du physicien de renom Gustav Wiedemann et obtient le diplôme de Ph.D en 1899.

C’est là que Coolidge a la chance de faire la connaissance de Roentgen qui était devenu le chef du département de physique depuis la retraite de Wiedemann.

De retour aux Etats-Unis; il entre à nouveau au M.IT.où il travaille, en collaboration avec Arthur Noyes au département de chimie. En 1905 Coolidge rejoint les cadres du laboratoire de recherche de la « General Electric »; il commence immédiatement ses travaux pour la production de tungstène ductile dans le but d’utiliser ce métal sous forme de filaments afin de remplacer les filaments fragiles de carbone utilisés dans les lampes à incandescence. La commercialisation de telles lampes commencée en 1911 va provoquer un formidable essor des lampes d’éclairage

En 1916 il dépose le brevet d’un tube de rayons X qui utilise un filament de tungstène. C’est le fameux tube Coolidge qui constitue un concept radicalement différent pour la production de rayons X. (1)

 

La radiographie dentaire avant l’avènement des travaux de Coolidge

 

Ce document anglais nous permet de faire connaissance avec une installation radiographique dentaire de la fin des années 1915; il comprend :

• Un tube de Crookes avec son bouclier composé de verre plombé prolongé par le tube de compression. Il repose sur un piédestal au voisinage du fauteuil dont la têtière sert au positionnement de la tête de la patiente.
• Au-dessus du négatoscope, trois tubes de Crookes sont en réserve sur leur support,
• Sur la table une bobine à induction avec son rhéostat alors que l’interrupteur et un tube de compression reposent sur l’étagère inférieure (2)

Les tubes à gaz

 

Les premiers appareils de radiographie utilisent des tubes à gaz où règne un vide relatif et dans lesquels le courant cathodique est produit par l’ionisation des molécules de gaz restant dans le tube.

La production de rayons X résulte du choc des particules arrachées à la cathode par les molécules gazeuses sur l’anticathode.

Mais au cours du fonctionnement, les ions absorbés par le verre de l’ampoule se raréfient, la pression intérieure diminue et la quantité des molécules s’averre insuffisante pour provoquer l’afflux cathodique; on dit que le tube devient « dur »ce qui nécessite une augmentation de la tension.

Pour solutionner ce problème on devait autrefois chauffer légèrement les parois du tube pendant son fonctionnement avec un chalumeau à gaz pour « ramollir » le tube comme le montre ce document de l’Hôpital Broca de 1904.

 

De nombreux systèmes de régulation ont ensuite été proposés pour permettre d’introduire dans le tube une certaine quantité de gaz ( osmorégulateur de Villard, régulateur à étincelles, etc.)

A l’opposé, une augmentation de la pression après admission d’air entraîne une effluvation intense qui n’assure plus l’émission cathodique; le tube est devenu « mou »; ce qui nécessite un fonctionnement à faible régime pour le « durcir ».

Le dentiste de l’époque devait ainsi faire preuve d’une grande virtuosité pour naviguer entre ces deux situations. Dans la pratique, lorsqu’un tube avait été utilisé il était nécessaire de le laisser reposer plusieurs jours avant d’être réutilisé; ce qui explique la réserve de tubes révélée par le document de l’installation du cabinet dentaire anglais de 1919.

La vie des tubes était par ailleurs très courte.

 

Pour remédier au durcissement des tubes une étape importante est marquée lorsque Villard présente son « osmo-régulateur » en 1898. Il utilise la propriété de la perméabilité du platine aux seules molécules d’hydrogène lorsque ce métal est chauffé au rouge.

 

D’autres systèmes de régulation ont été proposés pour réintroduire du gaz et éviter le durcissement de l’ampoule comme le tube à hydrogène de Snook, où le vide peut être réduit ou augmenté par réduction ou adjonction d’hydrogène. Ces vérifications constantes de l’état du vide nécessitent néanmoins une attention permanente. (3)

Par la suite on assiste à la commercialisation de tubes à régulation automatique qui permettent de maintenir le tube au même degré de résistance.

 

Van Woert, un des premiers utilisateurs des rayons X en dentisterie et l’auteur d’un porte-film, présente en 1916 le nouveau tube de Piffard qui a la propriété de maintenir le vide dans le tube d’une façon constante.

Cette fonction s’établit grâce à un petit bulbe satellite du tube qui assure la régulation automatique du vide.

D’après Van Woert ce tube, à l’époque, lui donne de meilleurs résultats que le tube de Coolidge qui n’est pas encore adapté à la pratique dentaire. (4)

La bobine d’induction

 

Les tubes de Crookes fonctionnent avec une source de courant à haut potentiel. A cette époque, c’est le bobine d’induction due à Ruhmkorff qui est couramment utilisée. C’est un transformateur à circuit magnétique ouvert qui est composé d’un enroulement primaire doté d’un faible nombre de spires de gros diamètre et d’un enroulement secondaire comprenant un grand nombre de spires de petit calibre.

La bobine de Ruhmkorff résulte des lois de Faraday sur les courants d’induction qui démontrent que le rupture d’un flux magnétique produit par l’arrêt du courant d’alimentation de l’enroulement primaire produit un courant induit.

 

Les variations du flux déterminés par les courants alternatifs ne sont pas assez brusque pour créer dans la bobine d’induction un courant secondaire suffisant; il faut leur ajouter un interrupteur destiné à rompre brusquement le circuit du courant primaire de forte intensité selon un rythme rapide

On distingue deux modèles principaux d’interrupteurs;

 

• Les interrupteurs électrolytiques dont le plus célèbre est celui de Wehnelt. le passage du courant, génère de fines bulles d’oxygène autour de l’électrode qui stoppe le passage du courant, puis disparaissent en le rétablissant. La rupture du courant pouvait s’effectuer une centaine de fois par seconde.

 

• Les interrupteurs mécaniques à jets de mercure dont le rythme des ruptures se situe entre 60 et 30.000 tours minute.

Les premiers appareils spécialisés avec tube à gaz

 

Le premier appareil de radiographie spécialisé en Art dentaire est commercialisé vers 1915 par l’ « American X-rays Equipment CO ». Il est alors composé d’une bobine à induction où le fil à haute tension est connecté à un tube de rayons X sur une colonne fixé sur le meuble ou sur pied en utilisant indistinctement le courant alternatif ou continu.

 

Ici la bobine à induction est remplacée par un transformateur « interrupterless ». C’est au congrès international d’Amsterdam de 1908 que Snook présente le générateur dit « interrupterless » ; sur le secondaire du transformateur, un redresseur à « contact tournant » entraîné par un moteur synchrone, permet d’utiliser les deux phases du courant alternatif de haute tension..

Mais la puissance d’un tel générateur ne pourra donner sa pleine mesure qu’avec l’invention du tube de Coolidge.

 

En 1918, ce fabricant présente un appareil où le tube radiogène et les bras supports sont fixés sur le coffre renfermant le transformateur. L’appareil est présenté avec le nécessaire de développement.

 

Le modèle de Thwaites d’ « Harry Bosworth CO » commercialisé en 1919 à la particularité de ne présenter aucun fil de haute tension apparent.

 

Le tube de Coolidge

 

S’appuyant sur la loi d’émission thermoélectronique publiée en 1901 par Richardson, Coolidge réalise en 1913 un tube de rayons X à cathode constitué d’un filament spiralé en tungstène amenée à l’état d’incandescence. (5)

On relève deux modèles principaux du tube de Coolidge : le « baby » et le « standard » plus puissant.

 

Cette nouvelle cathode qui peut subir une température de 2300 ° est composée d’un filament spiralé de tungstène contenu dans une cupule en molybdène de façon à faire converger le faisceau cathodique au centre de l’anticathode.

Celle-ci est constituée d’un bloc de tungstène fixé à l’extrémité d’une tige massive de métal conducteur: cuivre ou molybdène.

 

Elle est composée d’une pièce unique de tungstène en forme de disque fixée à une tige de cuivre qui sert de cible au faisceau d’électrons. Elle se termine par un radiateur à ailettes qui assure le refroidissement de l’anode. Cette anticathode ainsi constituée augmente la conductibilité de la chaleur de la cible en permettant à celle-ci d’absorber plus d’énergie et de produire davantage de rayons X.

L’émission des rayons X avec le tube Coolidge « Baby »

En faisant passer un courant alternatif de basse tension de 6 ampères à 12 volts sur la cathode, le filament de tungstène est porté au rouge. On relie dès lors la cathode au pôle négatif de la source de courant de haute tension alors que l’anticathode est relié au pôle positif. Les électrons émis par l’agitation thermique sont dès lors soufflés vers l’anticathode dont le choc contre le métal provoque une élévation de température considérable et une émission de rayons X.

Pour que l’accélération des électrons précipités sur l’anode soit suffisante pour produire des rayons X, Coolidge réalise un vide presque absolu dans le tube de l’ordre du centième de micron au lieu de quelques microns pour les tubes à gaz. Ce qui évite les collisions entre les électrons et les ions gazeux.

Le tube Coolidge de type baby présente de nombreux avantages par rapport aux tubes à gaz :

• 1° le transport des électrons est unilatéral, car ce tube, étant auto-redresseur, n’utilise que la phase positive du courant alternatif; en d’autres termes lorsque la cathode est positive et l’anode négative aucun courant ne traverse le tube. Lorsque la polarité change, l’anode devient positive et la cathode négative; les électrons sont dès lors projetés sur l’anticathode avec émissions de rayons X.

• 2° le tube est stable au cours du fonctionnement compte tenu du vide presque absolu réalisé.

• 3° le tube est facilement réglable, car la quantité d’électrons produite par la cathode est fonction de l’élévation de la température de la cathode alors que la pénétration des rayons X est en rapport avec la variation du potentiel de la source de haute tension. (6-7)

Ces tubes conçus pour notre spécialité ne furent cependant disponibles qu’à la fin des années 1910.

La première publicité du tube Coolidge dentaire n’apparaît dans le « Dental Cosmos » qu’en 1919.

Le tube Coolidge dentaire

 

Il résulte d’une modification du tube Coolidge Baby.

Il se différencie par:

• un refroidissement de l’anticathode assuré par un radiateur à ailettes. Faute d’un refroidissement suffisant l’anode serait portée au rouge et émettrait à son tour des électrons. Pilon, qui à l’exclusivité du tube Coolidge pour la France, ajoute une anticathode refroidie par eau.
• la cathode est située perpendiculairement à l’anticathode. Ce dispositif à l’avantage de pouvoir placer le tube très près du patient ; la cathode, étant mise à la terre, présente une différence de potentiel nulle et ne s’avère ainsi inoffensive, alors que l’anticathode est éloignée de lui.
• il est construit pour fonctionner à de faibles intensités, 10 à 20 ampères, sous des différences de potentiel de l’ordre de 40 à 50 kilovolts; ce qui évite d’utiliser des courants de haute tension redressés à l’aide de soupapes.

Les générateurs de rayons X munis de tube Coolidge apparent.

Au début des années 1920 les fabricants américains et européens proposent des modèles avec tube Coolidge apparent et fil anodique non isolé

Sur ces modèles le tube Coolidge est fixé sur le bras articulé d’un piédestal ou relié à un coffre sur roulettes contenant :

• le transformateur de haute tension avec son interrupteur et son milliampèremètre qui module la pénétration des rayons X.
• le transformateur de basse tension avec son interrupteur et son rhéostat qui porte à l’incandescence le filament de la cathode.
• les instruments de mesure sur certains modèles, voltmètre et milliampèremètre, généralementsitués sur le coffre.

 

Premier document représentant un cabinet dentaire équipé d’un générateur de rayons X ( modèle Ritter)

 

On remarque, en haut à droite de la lampe témoin, le petit transformateur sous-tenseur; au fond du coffre le gros transformateur sur-tenseur.

Avec ces appareils le volumineux transformateur de haute tension à enroulements est immergé dans un bain d’huile enfermé dans une cuve métallique étanche à l’intérieur d’un coffre dont le couvercle porte les bornes d’entrée et de sortie des circuits primaire et secondaire; l’anticathode du tube est alimentée en courant de haute tension dont la conduite est assurée par un fil anodique extérieur non isolé et dont l’exposition fortuite fut l’objet de nombreux accidents.

 

Au début des années 1930, l’appareil de Philips « Métalix » et le modèle « Héliodont » de Siemens sont dotés de fils conducteurs isolés blindés qui peuvent être touchés en marche sans danger. ( 8)

 

Les générateurs de rayons X, avec tube Coolidge CDX

 

 

C’est encore William Coolidge qui trouve le moyen d’éliminer le fil anodique à haute tension, élément à risques aussi bien pour l’opérateur et l’assistante que pour la malade.

Ce chercheur découvre qu’en immergeant dans un bain d’huile un petit tube Coolidge et les transformateurs au volume très réduit, l’huile assure à la fois l’isolation électrique du tube et des transformateurs ainsi que le refroidissement du tube.

 

Ce modèle fut présenté par William Coolidge en septembre 1921 à l’American Rœntgen

Society sous le nom de C.D.X. ( Coolidge Dental X rays Unit ) (9)

 

Le tube et le transformateur sectionné avec un enroulement sousvolteur qui assure le chauffage de la cathode et un enroulement survolteur pour la haute tension, peuvent dès lors cohabiter dans une petite cuve étanche connectée à la masse, ce qui de ce fait, supprime le fil extérieur de haute tension.

Ces composants beaucoup plus compacts et plus légers aboutissent à l’élaboration d’un appareil qui peut s’adapter sur un bras mural ou sur un Unit

 

Ce générateur CDX, fournit un kilovoltage de 45 kV à 10 milliampères avec une pénétration des rayons de 7,5 cm.

Ces appareils CDX très novateurs appelés  » Shock-Proof », insensibles aux chocs électriques, n’empêchera pas la commercialisation des appareils à tube Coolidge apparent jusque dans les années 1930.

 

En 1933 « General Electric » présente une nouvelle version perfectionnée, le CDX modèle E.

 

En 1933 Albert Bouwers pour Philips adopte à son tour le principe du CDX de Coolidge avec trois nouveaux modèles : le « Centralix » et le « Practix  » et l’ « Oralix » à isolement d’huile.

 

Ritter et Siemens avec l’ « Héliosphère » commercialisent à leur tour des modèles CDX

Les tubes à anode rotative

L’innovation la plus importante de la fin des années 1920 concerne sans nul doute l’introduction des tubes à anode rotative.

En 1915, Coolidge avait déjà envisagé de construire un tube à anode tournante, sans pour autant aboutir à un résultat satisfaisant.

 

C’est le physicien Albert Bouwers, chercheur de la firme Philips qui réussit en 1929 à présenter le premier tube à anode rotative, utilisé en téléradiographie.

La rotation d’un disque anodique favorise le refroidissement et permet d’appliquer une charge beaucoup plus importante dans un laps de temps plus réduit.

Le disque est entraîné par un petit moteur à induction dont la rotation se situe entre 3000 et 9000 tours-minute.

 

 

Conclusion

En 1932, William Coolidge est nommé Directeur du laboratoire de recherche de la « General Electric » et Vice-Président en 1940.

En prenant sa retraite en 1945 il est nommé « Director Emeritus » du Laboratoire de recherche.

Sa vie professionnelle a été marquée par le dépôt de 83 brevets et par la remise de nombreuses distinctions aussi bien dans le domaine de l’ingénierie électrique que médical. Il fut, entre autre, le premier à recevoir la Médaille d’or de l’ « American College of Radiology ».

 

En 1973, le Dr Arthur M; Bueche, Vice-Président de la « General Electric » est venu personnellement félicité Coolidge à l’occasion de la célébration de son centième anniversaire. (10)

Sa dernière distinction honorifique fut l’élection au tout début de 1975 au Hall d’Honneur du Bureau

des brevets américains de Washington. Le seul inventeur qui reçu cet honneur de son vivant.

Il mourut le 3 février 1975 à son domicile de Schenectady, à peine un mois après la remise de sa dernière distinction.

 

Saluons, à notre tour, les recherches révolutionnaires de William Coolidge qui ont résolu les problèmes posés par les tubes à gaz et qui ont abouti au tube à cathode incandescente en améliorant le rendement et la fiabilité de l’émission des rayons-X. et au modèle CDX qui constitue une étape majeure pour l’amélioration de la sécurité et du maniement des tubes radiogènes.

Saluons aussi les pionniers prédécesseurs de Coolidge comme Cookes, Snook et L’Ecole française Béclère, Barthélémy et Oudin qui ont facilité, par leurs découvertes, l’émergence du bilan scientifique de William Coolidge.