APPLICATIONS MEDICALES DES RAYONNEMENTS Dr. MEGHELLI Biophysique-Médicale

I) En Radiologie: Les rayons X 1. Définition. Les rayons X furent découverts par Röntgen en 1896 et ils furent ainsi nommés car les physiciens de l’époque ignoraient leur nature. Il s’agit en fait de rayonnements électromagnétiques de longueurs d’ondes comprises environ entre 0,001 et 10 nm. 2. Production des rayons X. Le premier appareil produisant des rayons X fut le tube de Crookes. Par la suite, certaines améliorations furent apportées par Coolidge, dont le tube est schématisé ci-dessous.

Tube de Coolidge

Il s’agit d’un tube à vide comportant deux électrodes, une cathode émettrice d’électrons provenant d’un filament de tungstène et une anode appelée anticathode. La tension entre l’anode et la cathode est comprise entre 10 et 300 kV. Les électrons e-, fortement accélérés dans l’espace cathode-anode viennent percuter cette dernière à grande vitesse et perturbent les couches électroniques profondes des atomes de l’anode : il y a alors émission de rayon X.

3. Absorption des rayons X. Quand un faisceau incident de rayons X frappe la matière une grande partie est absorbée. L’absorption (pénétration dans la matière) des rayons X dépend de plusieurs facteurs : - la nature du matériau - la longueur d’onde des rayons X - le numéro atomique Z du matériau.

→ Nature du matériau. Plus la masse volumique d’une matière est grande, plus l’absorption qu’elle provoque est grande. La matière absorbe d’autant plus les rayons X que sa masse volumique est grande. L’absorption croît avec l’épaisseur de la matière traversée. Un corps absorbe d’autant plus les rayons X que son épaisseur est grande.

→Longueur d’onde des rayons X. Dans les mêmes conditions, des rayons X de grande longueur d’onde sont beaucoup plus absorbés que les rayons X de courte longueur d’onde. D’où les appellations usuelles : rayons mous pour les premiers, rayons durs pour les seconds. Une matière absorbe d’autant plus les rayons X que leur longueur d’onde est grande.

→ Numéro atomique Z. L’absorption des rayons X est un phénomène purement atomique. Elle est une fonction croissante du numéro atomique Z des atomes du matériau qui intercepte le faisceau de rayons X. Un atome absorbe d’autant plus les rayons X que son numéro atomique Z est élevé. Remarque : le plomb (Z=82) absorbe environ trente fois plus les rayons X que le fer (Z=26) et 2500 fois plus que le carbone (Z=6).

4. Dangers des rayons X. Les rayons X expulsent certains électrons des atomes, électrons qui, à leur tour peuvent, ioniser d’autres atomes. Les rayons X ont donc un pouvoir ionisant important. Leur principal danger, outre le déclenchement de cancers, est d’ordre génétique : stérilité temporaire ou définitive, mutation, malformations du fœtus.

5. Applications : radiographie et scanner. A) Radiographie

Les propriétés des rayons X nous ont montré que leur absorption augmentait avec le numéro atomique Z de l’élément rencontré. C’est la raison pour laquelle les os contenant du calcium (Z=20) sont beaucoup plus opaques aux rayonnements X que les muscles et la peau contenant des atomes légers (carbone Z=6, hydrogène Z=1, oxygène Z=8,…). La radiographie fonctionne par transmission et les rayons viennent impressionner une plaque photographique située derrière le patient.

Pour se protéger des rayons X, on utilise des matériaux de numéro atomique élevé, tel le plomb, soit sous la forme du métal lui-même, soit mélangé à du verre que l’on dénomme habituellement cristal.

Appareil de scanographie

c) Le radiodiagnostic dentaire Les équipements de radiodiagnostic dentaire occupent une place prépondérante dans le parc des installations radiologiques: exemple La radiographie panoramique dentaire Utilisée principalement par les praticiens spécialistes de l’art dentaire (orthodontistes, stomatologistes) et les radiologues, la radiographie panoramique dentaire donne sur une même image l’intégralité des deux maxillaires par rotation du tube radiogène autour de la tête du patient durant une dizaine de secondes.

Appareil de radiographie panoramique dentaire et cliché d’une radiographie panoramique dentaire

2) EN MÉDECINE NUCLÉAIRE: les rayons γ La médecine nucléaire regroupe toutes les utilisations de radionucléides à des fins de diagnostic ou de thérapie. Les utilisations diagnostiques se décomposent en techniques in vivo, fondées sur l’administration à un patient de radionucléides (scintigraphie), et en applications exclusivement in vitro (dosages biologiques).

1 Le diagnostic in vivo Cette technique consiste à étudier le métabolisme d’un organe grâce à une substance radioactive spécifique – appelée radiopharmaceutique – administrée à un patient. La nature du radiopharmaceutique, qui a un statut de médicament, dépend de l’organe étudié.

Le technétium 99m, livré dans les services de médecine nucléaire sous forme d’un générateur, est de loin le radionucléide le plus employé. Sa courte période radioactive(6 heures) et la faible énergie de son rayonnement gamma permettent d’optimiser la dose reçue par le patient. L’activité administrée à un patient pour un examen est de l’ordre de quelques centaines de mégabecquerels (MBq).

Générateur Molybdène-Téchnétium

ADMINISTRATION DU TECHNETIUM (l’or d’une scintigraphie thyroïdienne)

Source de TI 201 dans un protège-seringue plombé

La localisation dans l’organisme de la substance radioactive administrée se fait par un détecteur spécifique – appelé caméra à scintillation ou gamma-caméra d’Anger – qui est constitué d’un cristal d’iodure de sodium couplé à un système d’acquisition et d’analyse par ordinateur. Cet équipement permet d’obtenir des images du fonctionnement des organes explorés (ou scintigraphie) il s’agit donc de l’exploration fonctionnelle d’un organe.

g caméra de Anger C B D A Réseau de PM Cristal Collimateur g Oscilloscope C X Y E B D Spectrométrie A Réseau de PM Guide de lumière Cristal Collimateur g

scintigraphie thyroïdienne normale

Scintigraphie osseuse

2 Le diagnostic in vitro Il s’agit d’une technique d’analyse de biologie médicale sans administration de radionucléides aux patients – permettant de doser certains composés contenus dans les fluides biologiques et notamment le sang préalablement prélevés sur le patient : hormones, médicaments, marqueurs tumoraux, etc. Cette technique met en œuvre des méthodes de dosage fondées sur les réactions immunologiques (réactions anticorps – antigènes marqués à l’iode125), d’où le nom de radio-immunologie ou RIA

3 La radiothérapie métabolique (IRATHERAPIE) La radiothérapie métabolique ou Irathérapie consiste à administrer au patient un radiopharmaceutique émetteur de rayonnements ionisants qui délivrera une dose importante à un organe cible dans un but curatif. Cette thérapie nécessitent l’hospitalisation des patients pendant plusieurs jours dans des chambres spécialement aménagées du service de médecine nucléaire jusqu’à élimination par voie urinaire de la plus grande partie du radionucléide administré. La protection radiologique de ces chambres est adaptée à la nature des rayonnements émis par les radionucléides. C’est en particulier le cas du traitement des cancers thyroïdiens après intervention chirurgicale. Ils sont réalisés par l’administration d’environ 4 000 MBq d’iode 131.

3) LA RADIOTHÉRAPIE La radiothérapie est, avec la chirurgie et la chimiothérapie, l’une des techniques majeures employées pour le traitement des tumeurs cancéreuses. La radiothérapie met en œuvre les rayonnements ionisants pour la destruction des cellules malignes. On distingue la radiothérapie externe (ou transcutanée), la source de rayonnement étant placée à l’extérieur du patient, et la curiethérapie, où la source est positionnée au contact direct du patient, dans ou au plus près de la zone à traiter.

L’irradiation en radiothérapie externe est effectuée à l’aide, soit d’accélérateurs de particules produisant des faisceaux de photons (rayons X) ou d’électrons d’énergie comprise entre 4 et 25 MeV.

Accélérateur de particules de radiothérapie

La curiethérapie permet de traiter, de façon spécifique ou en complément d’une autre technique de traitement, des tumeurs cancéreuses, notamment de la sphère ORL, de la peau, du sein ou des organes génitaux. (la source est mise au contact de la tumeur) Les principaux radionucléides employés en curiethérapie, sont le césium 137 et l’iridium 192

4) Applications médicales d’autres rayonnements Les rayonnements ultraviolets (UV). 1. Mise en évidence. C’est en 1803 que RITTER et WOLLASTON découvrirent que le chlorure d’argent, soumis à un rayonnement situé au-delà de la limite violette du spectre visible, noircissait. Les radiations comprises entre 10 nm et 0,4 μm sont appelées radiations ultraviolettes. 2. Les sources de rayonnement ultraviolet. Le Soleil, des étincelles, des lampes à décharges (lampe à vapeur de mercure, lampe à xénon…) produisent des ultraviolets.

→ aspect chimique 3 Propriétés des ultraviolets. Les UV peuvent initier certaines réactions chimiques. C’est grâce à cette faculté que se forme la couche d’ozone qui nous protègent de certains rayonnements UV qui pourraient détruire toute vie sur Terre. → aspect biologique Les rayonnements UV sont utilisés pour désinfecter, pour stériliser les produits alimentaires ou pharmaceutiques, l’air et l’eau. Une irradiation modérée et progressive au UV permet le bronzage. Si elle devient excessive, elle peut induire un cancer cutané. Du point de vue thérapeutique, les UV sont utilisés pour le traitement du rachitisme (maladie de la croissance affectant le squelette due à un défaut de minéralisation osseuse par carence en vitamine D).

Les rayons infrarouges (IR). 1. Découvertes. En 1800, William Herschel (1738-1822) place un thermomètre au-delà du rouge du spectre de couleurs obtenu à l’aide d’un prisme par décomposition de la lumière du Soleil. Il constate que le thermomètre grimpe plus haut que lorsqu’il est placé dans le rouge ! Conventionnellement, on délimite le spectre infrarouge aux ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde est située entre 0,75 μm et 1 mm environ.

2. Propriétés. Les IR sont facilement absorbés par de nombreux corps et l’absorption s’accompagne, en général, d’une élévation de la température de l’absorbant. 3. Applications. Thermomètre auriculaire : il mesure la température du tympan irrigué par les mêmes flux sanguins que le centre de la régulation de la température situé dans le cerveau.

Thermographie médicale : Une plaque contenant des cristaux liquides est appliquée sur la peau et, suivant la température au niveau de la surface de contact, la couleur de la lumière renvoyée par les cristaux diffère. On peut fabriquer ainsi des thermomètres qui prennent des couleurs différentes suivant la température servant à détecter des tumeurs superficielles dont la température est plus élevée que celle des tissus environnants (tumeur du sein en particulier).