Bases physiques de l’utilisation médicale des rayonnements ionisants (2 ème partie) Master de Physique Médicale Dr. MEGHELLI Biophysique-Médicale Service Médecine Nucléaire CHU Tlemcen

Modes de production des radionucléides

I) Introduction Définition des termes: élément, isotope, réaction nucléaire et critères de sélection des radio-isotopes pour usage in vivo. II) Production des Radionucléides par bombardement en utilisant des particules électriquement neutres III) Production des Radionucléides par bombardement en utilisant des particules électriquement chargées IV) Production des Radionucléides par la réaction de « fission nucléaire » V) Production des Radionucléides sous forme de générateurs isotopiques

I) Introduction

Radioéléments: élément dont tous les isotopes sont radioactifs (Tc99) Nucléides instables sont radioactifs => radionucléides, radioisotopes

Principales émissions radioactives

Spectre électromagnétique

Energie et intensité d’un rayonnement Energie:  Physique atomique: eV (1eV = J). Intensité d’émission d’un rayonnement: % de rayonnement d’un type et d’une énergie déterminés, émis pour l’ensemble des transformations. Ex: sur 100 rayonnements issus de la désintégration d’un atome radioactif donné (80 de type R1, 15 de type R2 et 5 de type R3) => IR1= 80%, IR2= 15% et IR1= 5%. Présentation de l’intensité d’émission en fonction de son énergie = « spectre en énergie » (continu ou discret)

Modes de transformation du noyau 2 modes de transformations:  Désintégration: structure du noyau modifié  Désexcitation: énergie en excès libérée sans modification de structure Toute transformation radioactive obéit aux lois physiques générales: → Conservation de la charge électrique → Conservation de l’énergie totale

Activité d’une source radioactive Activité A: Nombre de désintégrations par seconde Unité SI : Becquerel (Bq) = 1 désintégration par seconde (s-1) Unité très petite => MBq, GBq Unité historique: le Curie (Ci)  1 Ci = activité d’un gramme de Radium.

Taux d’émission d’un rayonnement n: Nombre de rayonnements d’un type et d’une énergie déterminés, émis par unité de temps. n: s-1 I: intensité d’un rayonnement (%) A: Bq

Loi de décroissance radioactive La décroissance radioactive est la réduction du nombre d’atomes radioactifs (instables) dans une source. Considérons une source contenant N atomes radioactifs à un instant t. Le nombre dN d’atomes qui se désintègrent pendant un temps dt est donné par: λ : constante de décroissance radioactive [s-1]  Représente la probabilité de désintégration d’un atome par unité de temps.  Elle est caractéristique du corps émetteur et est indépendante des conditions externes.

Décroissance radioactive

Schéma de désintégration Représentation graphique de toutes les transitions d’une désintégration. Exemple simple du Cobalt 60 (utilisé en RT externe):  Emission Beta -  Nickel dans un état excité => 2 photons gamma  100 désintégrations: → 100 électrons (0.31 MeV) → 100 photons 1.17 MeV → 100 photons 1.33 MeV

Schéma de désintégration

Relation masse activité

La demi-vie physique: elle doit être de l’ordre de quelques minute à tout au plus plusieurs mois. Radiotoxicité: C’est la propriété des radionucléides à générer des dommages aux tissus, ceci est fonction du type de rayonnement émis et de son incorporation dans le corps Pureté: 3 types de pureté: pureté radio nucléidique, pureté radiochimique, pureté chimique. Activité spécifique Coût de production

Pénétration dans les tissus

Application en fonction du type de radionucléide

Les différentes sources radioactives utilisés 1) Définition des termes: Irradiation et contamination ►Irradiation: L’irradiation est la conséquence directe de l'exposition externe d’un corps (inerte ou vivant) à des rayonnements ionisants (R.I.).

►Contamination Elle représente la présence d’une substance radioactive dans un milieu ou au contact d’une matière où elle est indésirable. Concernant l’être humain, on parle de contamination lorsqu’un individu entre en contact direct avec une source radioactive et ce, de deux manières différentes, mais parfois simultanées : – par dépôt de substances radioactives au niveau de l’épiderme ou des cheveux : c’est la contamination externe – par incorporation d’éléments radioactifs à l’intérieur de l’organisme : c’est la contamination interne. Les principales voies de pénétration sont : la voie respiratoire la voie directe par blessure la voie digestive la voie transcutanée

Comment décontaminer? - Lorsque la contamination est externe, on procède par lavages successifs de la zone touchée mais plus généralement du corps entier (douches). Lorsque la contamination est interne, le but est de faire migrer les particules radioactives vers les voies d’élimination naturelles (exp: boire beaucoup d’eau). Te = (Tb*Tp)/(Tb+Tp) exemples période radioactivepériode biologiquepériode effective iode 1318 jours30 jours (thyroïde)6,3 jours plutonium ans100 ans (os)~100 ans

2) Les sources radioactives scellées Une source radioactive scellée se définit comme une source dont la structure ou le conditionnement empêche, en fonctionnement normal, toute dispersion de matières radioactives dans le milieu ambiant. Elle ne présente donc pas de risque de contamination en fonctionnement normal.source conditionnementcontamination Exemple: sources de cobalt 60 dont l’activité totale peut dépasser térabecquerels, utilisé en radiothérapie.cobalt

3) Les sources radioactives non scellées Une source radioactive non scellée se définit comme une source dont la présentation et les conditions normales d’emploi ne permettent pas de prévenir toute dispersion de substance radioactive.source substance radioactive Elle présente donc, par nature, un risque de contamination. Elle ont une durée de vie courte. Elle désigne une source conditionnée dans des récipients appropriés mais non fermés de façon à ce que le corps radioactif soit facilement accessible Exp : médecine nucléaire, injection de 99mTc, I123, F18 …

L’utilisation de ces traceurs radioactifs incorporés à des molécules est très courante en recherche biologique. Ils sont ainsi un outil puissant d’investigation en biologie cellulaire et moléculaire.

Pureté radionucléidique La pureté radionucléidique est définie comme la quantité de radioactivité présente sous la forme du radionucléide souhaité par rapport à la radioactivité totale Pureté radiochimique La pureté radiochimique est définie comme le pourcentage de la radioactivité totale qui est présente dans la forme chimique souhaitée. Pureté chimique La pureté chimique est définie comme le pourcentage d’entité chimique souhaitée dans la préparation. Cependant il faut savoir que la concentration chimique des radionucléides est de l’ordre de la micro ou millimole et reste souvent très inférieure à la concentration de divers autres entités chimiques présentes dans la préparation.

Type de la particule incidente : neutron, proton, deuton, hélium Energie d’“activation” L’énergie d’activation est fonction du type de particule :. particule neutre de faible taille → énergie faible.. particule chargée électriquement → énergie importante L’énergie requise en fonction du type de particule peut aller de quelques eV à plusieurs MeV. La section efficace La section efficace représente la probabilité d’interaction de la particule incidente avec le noyau cible. La section efficace est exprimée en barn (b) 1b = cm 2.

Section efficace de quelques isotopes

Bombardement par utilisation de particules neutres Bombardement par utilisation de particules électriquement chargées Fission nucléaire Générateurs isotopiques.

A quelques rares exceptions près, les radionucléides employés à des fins médicales ou biologiques entrent dans la catégorie des « radioéléments artificiels » par opposition aux « radioéléments naturels ». Il existe différents modes de production de ces radioéléments artificiels. 36

Souvent cette production fait appel à des réactions nucléaires, c’est à dire à une transformation de la structure des noyaux d’un élément stable au départ (cible), en un élément radioactif, avec apport d’énergie sous la forme d’un rayonnement qui vient irradier cette cible.

Dans sa forme la plus générale, une telle réaction nucléaire se représente par le schéma suivant : X ( i, e ) Y dans lequel: -X: est l’élément de départ (cible), -Y: est l’élément d’arrivée de la réaction, -i: est une particule incidente qui déclenche la réaction, -e: est une particule émise qui emporte l’excédent d’énergie non utilisé dans la réaction. 38

I. Produits de fission Certains noyaux lourds, comme l‘uranium par exemple donnent lieu au phénomène de fission, c’est à dire que ces noyaux peuvent se diviser en deux noyaux plus légers. La fission peut être spontanée, mais le plus souvent, pour se produire, elle est favorisée par l’impact d’un neutron, et elle peut à son tour s’accompagner de l’émission de plusieurs neutrons (2 ou 3). 39

Cette multiplication des neutrons provoque une « réaction en chaîne » qui, lorsqu’elle est contrôlée, peut produire de l’énergie (réacteur nucléaire), mais qui peut aussi être explosive (armes nucléaires). neutron incident noyau d’uranium noyau n°2 2 ou 3 neutrons émis

Les deux noyaux résultant de la fission ne sont pas identiques, leur masse sont de l’ordre de 130 pour le plus gros, et de 100 pour le plus petit. La réaction peut s’écrire : 235 U ( n, 2 ou 3n) +/-130 X + +/-100 Y de telle sorte que la somme des masses soit conservée. La fission donne lieu à un mélange d’isotopes variés, dont il faut extraire, chimiquement ou physiquement, les produits que l’on désire à l’état purifié en vue de leur utilisation diagnostique ou thérapeutique. 41

Les principaux produits de fission employés en médecine sont : → éléments « lourds » iode – 131, xénon – 133 → éléments « moins lourds » molybdène – 99 (père du technétium – 99m) Le phénomène de fission explique également qu’en cas d’accident nucléaire (voir Tchernobyl), les principaux contaminants de l’environnement sont l’iode – 131 (contamination qui disparaît rapidement du fait de la période de 8 jours) et le césium – 137 (contamination durable, avec une période de 30 ans).

II. Irradiation par neutrons Une manière simple d’irradier une cible au moyen de neutrons consiste à la placer au « cœur » d’un réacteur nucléaire, lieu où il existe un nombre importants de neutrons, à la suite de la fission des barres d’uranium qui constituent le réacteur. Ces neutrons peuvent avoir des énergies différentes et il est possible de favoriser l’irradiation, soit par des neutrons « lents » (dits neutrons thermiques) soit par des neutrons plus énergétiques. 43

Les neutrons de faible énergie donnent des réactions de type (n,γ) pour lesquelles un neutron supplémentaire est simplement incorporé dans le noyau de la cible, avec émission d’énergie en excès sous forme de photon. Par exemple : préparation du chrome – 51 ou du fer – 59 (employés tous les deux dans les études hématologiques pour marquage des globules rouges).

50 Cr ( n, γ ) → 51 Cr 58 Fe ( n, γ ) → 59Fe Dans ces réactions, on constate que l‘élément résultant est de même nature chimique que l’élément de départ (le nombre de protons du noyau n’est pas modifié). La séparation chimique des deux isotopes n’est pas possible et l ‘ « activité spécifique » du produit final est faible (présence d’isotope stable mélangé à l’isotope radioactif). Les neutrons d’énergie plus élevé donnent des réactions de type (n,p). C’est, par exemple, le cas de la préparation du phosphore – 32 (biologie moléculaire) : 32 S ( n, p )→ 32 P Ici la séparation chimique entre le soufre et le phosphore est possible. 45

Calcul théorique du rendement d’irradiation La radioactivité “ A ” générée pour l’isotope concerné est donné par l’équation suivante :

Exemples

L’131I est un isotope radioactif créé lors des réactions de fission (cassure des noyaux d’uranium ou de plutonium) dans un réacteur nucléaire ou lors de l’explosion d’une arme nucléaire.

Exemples Production du Samarium 153Sm

Il existe plusieurs types d’accélérateurs de particules, initialement conçus pour la recherche fondamentale. Pour tout type d’accélérateurs, deux conditions doivent être respectées: Les particules à accélérer doivent être chargées. L’accélérateur génère un champ électrique dans la direction de propagation des particules.

I) Accélérateurs de particules Les particules sont accélérées par une succession de champs magnétiques disposés soit en ligne (linéaire) soit en cercle(cyclotron). → Energie d’activation des particules Les particules doivent être accélérées avec une énergie suffisante pour permettre à la particule de franchir la barrière Coulombienne constituée par les forces répulsives des protons du noyau. Cela signifie que la force de répulsion généré par les protons du noyau augmente avec le carré de leur nombre. → Type de particules qui sont généralement accélérées Protons, deutons, hélions, alpha.

II) Différents types d’accélérateurs 1. Composantes d’un accélérateur Schématiquement, un accélérateur comprend essentiellement trois éléments : une source d’ions ou d’électrons, un dispositif d’accélération et un espace d’expérimentation ou est placée la cible a irradier. Les projectiles sortent de la source avec une vitesse et une énergie faibles puis ils émergent de l’espace d’accélération avec l’énergie incidente souhaitée pour interagir avec la cible. L’espace d’accélération peut être a simple différence de potentiel électrique (comme dans un tube a rayons X), ou a induction magnétique avec accélérations multiples.

2. Sources de particules à accélérer Les sources sont caractérisées, entre autres paramètres, par la nature des particules a accélérer (électrons, noyaux légers ou lourds, ions atomiques ou moléculaires) et leurs charges (positive ou négative, simple ou multiple). Techniquement, les électrons sont produits par simple effet thermo-électronique alors que les ions, espèces chargées plus lourdes, sont produits dans des tubes a décharge électrique.