Nucléaire et médecine

 

La radioactivité en médecine

 

 

Index :

1. Les applications de la radioactivité
2. Imagerie médicale
3. Radiothérapie
4. Les doses en médecine nucléaire
5. Mise en œuvre de la médecine nucléaire
6. L'accident d’Épinal



 

1. Les applications de la radioactivité :

 

La radioactivité de certains éléments est la manifestation d'une évolution d'un état instable vers un état d'équilibre par la modification de la structure du noyau qui émet des particules ou un rayonnement (voir la fiche nucléaire sur le site UARGA).

 

Les applications de la radioactivité sont nombreuses principalement dans les domaines suivants :

 

- énergie : production d'électricité,

- l'industrie : sondes de niveau, contrôle de soudure, analyse des matériaux etc...

- les sciences : datation (carbone 14, potassium /Argon, Uranium/ Thoryum 230...), marquage (suivi d'atomes radioactifs), protection d'éléments (momie de Ramsès II),

- l'environnement : marquage,

- agriculture : élimination des insectes parasites, germination des bulbes, traceurs,

- alimentation : stérilisation et conservation (destruction de micro organismes par irradiation) - voir page sur le sujet-

- médecine : imagerie: radiographie, scanner, scintigraphie, tomographie et radiothérapie ainsi que la stérilisation de produits sanguins et d'instruments médicaux.

 

Les applications médicales sont l'objet de ce document.



2. Imagerie médicale :

 

2.1 - Les rayons X : la radiographie

 

La radiographie n'utilise pas d'élément radioactif et ce paragraphe a pour objet de présenter plusieurs méthodes d'imagerie médicale à base de rayonnements.

 

Quelques rappels sur les rayons X :

 
 

Cliché radiographique :

Initialement il était obtenu par l'interaction des rayons X avec un film argentique. De nos jours l'image sur film est obtenue à partir d'une image virtuelle informatique.

Découvert en 1895 par Wilhelm Röntgen, le rayonnement X est un rayonnement électromagnétique qui provient des couches électroniques proches du noyau. Les rayons X sont produits en bombardant une anode métallique par des électrons émis par une cathode émettrice. Ce sont des rayonnements ionisants, de longueur d'onde de quelques nanomètres.

La première image de radiographie est la main d'Anna Röntgen en 1895. Les applications dans le domaine de l'imagerie ont été l'utilisation des rayons X d'énergie proches de 30 à 100 KeV. Le principe de la radiographie X repose sur l’atténuation d'un faisceau au cours de la traversée de la matière (ici le corps humain). Cette atténuation dépend de l'épaisseur traversée et de la nature chimique des organes traversés c'est à dire de leur numéro atomique (le calcium du squelette atténue plus que les organes composés de CHON : carbone, hydrogène, oxygène, azote).
Les détecteurs de rayons X, placés derrière la zone à examiner, sont des pellicules photosensibles de type argentique qui produisent des images photographiques. Celles ci sont maintenant largement remplacées par des détecteurs numériques dont le traitement informatique des signaux permet l’obtention d'images numérisées.

 

Cette technique a été améliorée par l'utilisation de scanner (réalisé par la rotation de la source autour du patient) permettant une reconstitution d'images en 3 D et d'images des coupes des organes dans les trois plans. L'imagerie médicale est un puissant outil d'aide en vue d'un diagnostic performant. L'utilisation d'un «produit de contraste» (injection d'une solution d'une molécule organoiodée ou d'une suspension de sulfate de baryum) permet de faire des images des organes ne comportant pas de calcium (circuit sanguin, reins, vessie, cœur, vésicule biliaire etc...).

 

Les doses reçues varient selon les types d'examen de 0,01 à 20 milli Sievert.

 

2.2 - La scintigraphie :

 

 
 

Camera Gamma utilisée en scintigraphie

(Source Wikimedia)

 


La scintigraphie permet la production d'imageries médicales par l'administration d'isotopes radioactifs et la détection des rayonnements émis (bêta ou gamma) après captation par les organes à examiner (os, cœur, poumons, thyroïde etc…)

Il s'agit donc d'imagerie par émission et non par transmission au contraire de la radiographie X).

 

Les isotopes les plus usuellement utilisés sont :

- le technétium 99m (période 6 heures) qui se fixe sur le cerveau, les os, les reins*,

- le thallium 201 (période 72 heures) pour le cœur,

- l'iode 131 (période 13 heures)qui se fixe sur les cellules thyroïdiennes,

- le gallium 67 (période 78 heures),

- le carbone 11 (période 20 minutes),

- l'azote 13 (période 10 minutes),

- l'oxygène 15 (période 2 minutes),

- le fluor 18 (période 110 minutes) pour certaines tumeurs,

- le cobalt 55 (période 17 heures),

- le baryum 70 etc.

*On trouvera ici un article détaillé sur le technétium 99m son utilisation et son importance en médecine d'investigation, ses moyens de production et les risques de pénurie en raison d'exigences des Autorités de sûreté pour certaines installations le produisant.

 

Ces radio-éléments sont choisis pour leur période radioactive courte. Ces isotopes font partie d'une molécule organique adaptée pour un type cellulaire donné. Il s'agit souvent d'un dérivé du glucose marqué ou d'une molécule se comportant comme le potassium.

 

L'injection est effectuée par voie intraveineuse ou à l'aide d'un cathéter par voie fémorale (au pli de l'aine) ou par voie radiale (au niveau du poignet). Les isotopes sont éliminés par les urines selon une vitesse dépendant ,non seulement de la période radioactive du radio élément mais aussi de la période biologique, qui est la durée au bout de laquelle l'organisme a évacué la moitié de la quantité du constituant chimique introduite. L'irradiation du patient est d'autant plus réduite que la période radioactive et la période biologique sont de courtes durées.

 

La détection comprend un collimateur, un scintillateur (matériau fluorescent) de cristal d'iodure de sodium NaI dopé par du thallium et des photomultiplicateurs recueillant les impulsions électriques.

 

Les effluents radioactifs des sanitaires des chambres des patients ayant reçu des doses à des fins de diagnostic ou surtout de thérapie sont collectés et contrôlés en vue de leur décroissance radioactive dans des cuves tampons et gérés selon leur niveau de radioactivité et selon la durée de leur période (réglementation selon l'arrêté du 30 octobre 1981).

 

2.3 - TEP ou PETscan : tomographie d'émission de positons :

 

 
 

Appareil de tomographie

(Source Wikimedia)

 


Il s'agit d'une technique de scintigraphie dite fonctionnelle par opposition à la scintigraphie évoquée ci dessus, qualifiée de structurelle. En effet, elle permet un rendu visuel de l'activité métabolique d'un tissu organique en trois dimensions et non de la simple structure, à l'aide de la consommation du glucose marqué. On utilise une forme particulière de glucose marqué par un traceur radioactif dont on suit la progression dans les cellules à examiner.

 

L'isotope utilisé a une très courte période, par exemple le carbone 11 (période 20 minutes), l'oxygène 15 (période: 2 minutes), le fluor 18 (période 110 minutes), le brome 76 (période 972 minutes) produits par un cyclotron souvent placé près de la zone d'examen. Il se désintègre en émettant un positon qui va s'annihiler avec un électron dans le milieu proche en produisant deux photons gamma de haute énergie 511 keV.

L'image repose sur la détection en coïncidence, des seuls photons d'annihilation émis en direction opposée.

 

Le principal organe examiné est le cerveau dont l'activité des cellules nerveuses est reliée à un besoin de glucose. C'est le cas, en particulier, pour les maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer, de Parkinson, de Creutzfeldt-Jakob. La dose reçue par le patient est d'environ 10 milli Sievert.

 

Autres techniques d'imagerie médicale :

 

2.4 - L'IRM- imagerie par résonance magnétique- :

Cette technique d'imagerie basée sur le couplage entre le moment magnétique du noyau des atomes du corps et le champ magnétique externe. L'IRM n'utilise pas d'isotopes radioactif et n'est citée que pour information car elle est souvent associée aux autres techniques d'imagerie utilisant des isotopes radioactifs.

 

2.5 - Echographie :

L'échographie est une méthode d'exploration non invasive qui repose sur l'utilisation des ultrasons de fréquence de quelques méga Hertz émis par un matériau piézoélectrique. Les échos renvoyés par les organes permettent une imagerie.

Cette technique est très utilisée en obstétrique.



3. Radiothérapie :

 

 
 

Appareil de radiothérapie

(Source Wikimedia)

 


La radiothérapie est une technique de traitement des tumeurs malignes qui permet de détruire les cellules cancéreuses qui sont plus sensibles que les cellules saines aux rayonnements ionisants. C'est une technique alternative ou associée à la chirurgie, la chimiothérapie, l'hormonothérapie, l'immunothérapie etc. La radiothérapie concerne environ 50% des patients porteurs de cancer. Les rayons ciblés sur l'organe à traiter détruisent la molécule ADN entraînant la mort de la cellule. On distingue la radiothérapie externe, la radio chirurgie où la source est externe au patient et la curiethérapie où la source est placée à l'intérieur du corps du patient pendant quelques heures.

On utilise aussi des isotopes radioactifs liés à une molécule qui ira se fixer sur les cellules malignes et les détruiront par irradiation. Les isotopes les plus utilisés ont été d'abord le radium au début des années 1900 siècle puis le cobalt 60 (période de 5,3 ans), le césium 137 (période de 30 ans), l'iridium 192 (période de 74 jours), l'iode 125 (période de 59 jours) etc. selon l'organe à traiter.

 

Les principaux cancers traités par radiothérapie concernent les organes : le sein, les os, le cœur, la prostate, le larynx, la thyroïde, la moelle épinière, les poumons, la peau, la leucémie, le foie, le cerveau, les ganglions, l'utérus, le vagin etc.

 

La première étape du traitement consiste à bien focaliser le rayonnement sur la zone à traiter et à calculer la distribution de la dose de façon à épargner les cellules saines. Les doses prescrites dépendent de la localisation et de la nature de la maladie. Elles sont généralement de 40 à 80 Gy* par fraction d'environ 2 Gy par jour. Des effets secondaires indésirables apparaissent souvent comme la fatigue, les nausées, les vomissements et parfois l'inflammation de la zone traitée.

 

La protonthérapie est une technique de radiothérapie utilisant l'irradiation des organes par un faisceau de protons généré par un accélérateur de particules.

 

La radioimmunothérapie consiste en un couplage d'un radionucléide (yttrium 90, bismuth 212, etc...) avec un anticorps monoclonal qui va se fixer spécifiquement sur un récepteur présent à la surface de la cellule cancéreuse pour la détruire.

On trouvera plus dinformations sur ce sujet dans le cas du plomb 212  dans ce document

 



4. Les doses en médecine nucléaire :

 

En France, l'ensemble des examens médicaux représentent une dose moyenne d'environ 1,3 mSv[2] soit 1/3 des doses d'exposition moyennes reçues et la quasi totalité de l'irradiation artificielle, mais elles sont réparties de façon peu homogène dans la population (plus d'exposition chez les personnes âgées mais aussi variation forte d'un patient à l'autre selon la pathologie, la morphologie du patient, sa sensibilité).

 

Le tableau ci-dessous présente quelques exemples de doses efficaces moyennes pour quelques techniques de radiologie conventionnelle, de scanographie et de radiologie interventionnelle selon un document de l'IRSN/DRPH Unité d'expertise en radioprotection médicale. Toutefois pour un même type d'examen, on constate une grande disparité des valeurs pouvant aller d'un facteur 1 à 50.

 

Examens radiologiques

Dose efficace

(mSv)[2]<ANAME="2BIS">

Dose équivalente d'exposition naturelle

Membres et articulations

0,01

1,5 jour

thorax

0,05

7 j

crâne

0,05

7 j

Mammographie de dépistage

0,2

28 j

Rachis dorsal

0,4

2 mois

Rachis lombaire

1,8

9 mois

Hanche

0,35

7 semaines

Bassin

1,2

6 mois

Abdomen

1,9

9 mois

Urographie intraveineuse

2,1

11 mois

Transit oesogastro-duodénal

12

5 ans

Lavement baryté

12

5 ans

Scanner du crâne

2,1

11 mois

Scanner du thorax

5,7

2,4 ans

Scanner abdomino-pelvien

12

5 ans

Radiothérapie des reins

1

6 mois

Radiothérapie des os

4

1,8 an

Radiothérapie du cœur

6

2,7 an

 

Dans le bilan annuel de 2011, l'ASN indique que «l'augmentation des doses délivrées aux patients en imagerie médicale (près de 50% d'augmentation moyenne entre 2002 et 2010) notamment en scanographie, devient une préoccupation croissante et qu'il devient urgent de prendre des mesures pour la maîtriser lors des examens d'imagerie médicale, notamment lors des examens scanographiques».

 

L'utilisation des rayonnements ionisants sont irremplaçables en médecine, leur nombre d'actes est d'environ 70 millions par an en France dont environ 60 millions en radiologie X, 500 000 examens en médecine nucléaire et 100 000 patients en radiothérapie. Cependant, ils ont un effet biologique, il convient donc de les justifier et d'optimiser leur utilisation en évaluant la balance bénéfice/risque pour le patient (décret 2003-270 du 24 mars 2003).



5. Mise en œuvre de la médecine nucléaire :

 

La médecine nucléaire est mise en application par une équipe comprenant principalement la collaboration entre le médecin radiothérapeute et le radio physicien. En France, il existe environ 50 000 équipements de radiodiagnostic (X ou radioactif), et environ 500 de radiothérapie délivrant près de 70 millions d'actes de radiologie par an. L'ASN procède, ou fait procéder, par des organismes agréés à des contrôles périodiques de radioprotection des installations de radiologie., de radiothérapie, de curiethérapie et d'irradiateurs de produits sanguins afin de vérifier la conformité avec la réglementation.



6. L'accident d’Épinal :

 

Les accidents de radiothérapie au Centre Hospitalier Jean Monnet décelés en 2007 ont été largement médiatisés. 4 500 patients, traités pour des tumeurs de la prostate, ont reçus des surdoses: une vingtaine de patients avec un taux de surdose de 20%, 400 patients avec une surdose d'environ 8 % et les autres patients avec une surdose de 3 à 7%. 5 patients sont morts et au moins une dizaine ont une complication sévère.

 

L'origine de ces accidents médicaux de surdosage provient de l'inadaptation du logiciel de mesure de la dosimétrie mis en place depuis l'an 1989. Ce logiciel ne prenait pas en compte dans le calcul des doses des «tirs» d'imagerie préalables au traitement et nécessaires à la focalisation du rayonnement ainsi que l'utilisation jugée excessive de l'imagerie de contrôle.



[1] la dose absorbée s'exprime en gray (Gy); elle mesure l'énergie déposée.

1 Gy = 1 Joule par kilogramme de matière

 

[2] la dose efficace s'exprime en Sievert (Sv), elle évalue les effets biologiques.

Un sievert correspond à un gray multiplié par des coefficients qui rendent compte, d'une part de la nature des rayonnements (alpha, béta …), d'autre part de la sensibilité des organes irradiés.

L'exposition naturelle en France est de 2,4 mSv/an.