Les utilisations médicales des rayonnements ionisants (1,73 Mo)
4 . Les effets biologiques des rayonnements ionisants · Les rayonnements ionisants : Les...
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Dès la découverte des rayons X par Röntgen et la découverte du
polonium et du radium par P et M Curie, l’application des rayons
X en radioscopie et radiographie a révélé des effets
dommageables.
Pierre Curie avait observé que les
rayonnements du Polonium et du radium
déposés sur la peau provoquaient des
brulures analogues aux coups de soleil
On observa rapidement que les
radiologues subissaient des
dommages par les rayons X .
On observa aussi que les cellules qui se reproduisaient
rapidement étaient plus sensibles d’où l’idée de la
radiothérapie pour le traitement des cancers.
Radiographie des poumons
par le Dr Béclère en 1896.
On peut voir le tube
générateur de rayons X
devant le patient
Les rayonnements ionisants :
Les particules ou rayonnements résultant de la radioactivité
ont une énergie suffisante , plus d’une dizaine d’électron volt
(eV), pour ioniser des atomes ou modifier des liaisons
chimiques des cellules.
- Particules alpha α noyau d’hélium ( 2 protons et 2 neutrons)
énergie de l’ordre du MeV
- Particules béta β électron ou positon KeV et MeV
- rayonnements électromagnétiques rayons X KeV et gamma
γ de l’ordre du MeV
- Les rayonnements électromagnétiques d’énergies
inférieures à 10 eV (ou longueurs d’ondes supérieures) n’ont
pas d’effet ionisants mais effets d’excitation UV, micro
ondes …..
Les effets biologiques des rayonnements ionisants ont
été étudiés depuis le début du 20 ème siècle; les bases
sont :
- Des expérimentations en laboratoires .
- Les expositions des radiologues au début du 20 ème
siècle.
- Les variations de la radioactivité naturelle dans le
monde plus d’un facteur 10 entre des terrains
sédimentaires et des zones riches en matériaux
naturels radioactifs ou encore fonction de l’altitude.
- Les survivants Hiroshima et Nagasaki.
Les premières normes ont été établies dans les années
1928 par une commission internationale (CIPR) fondée
sur les informations obtenues par les effets chez les
radiologues notamment.
Les unités
Radioactivité:
le Becquerel ( Bq) une désintégration par seconde
le Curie (Ci) nombre de désintégrations par
seconde dans un gramme de radium 3,7 1010
Bq
Le corps humain contient en permanence de l’ordre de 8 000
becquerels.
Exposition en relation avec les effets sanitaires:
Dose: Gray ( Gy) énergie transférée à la matière
Sievert ( Sv) effets biologiques
anciennes unités: Rad =1/100 Gy
Röntgen : R ou Rem =1/100 Sv
Débit de dose: Gray/h (Gy/h)
effets biologiques: Sievert/h ( Sv/h)
Gray et Sievert sont de très grandes unités; on utilise plus
fréquemment mGy et mSv voir μGy et μSv soit 1 millième(m)
et 1 millionième(μ, micro).
Facteur de
sensibilité
des tissus
Facteur de
pondération
pour la nature
des
rayonnements
Passer du becquerel
à l’évaluation d’un impact
biologique
Bq Sv Gy
Les variations mondiales des expositions
naturelles ont été étudiées pour fixer les normes
concernant les effets stochastiques (risque
génétique).
Les variations résultent principalement de la
nature des sols (minerais, radon).
E n France
2,5 mSv
Valeurs moyennes en mSv et expositions maximales ( ) naturelles
dans le monde – moyenne en France 2,5mSv
Les populations les plus exposées naturellement ont été étudiées et
il n’a pas été observé d’anomalie génétique en excès.
Incidence de la radioactivité naturelle
dose de rayonnement et débit de dose
La dose est le débit de dose multiplié par le temps d’exposition.
L’impact biologique est lié à la dose et au débit de dose.
Les organismes vivants ont la capacité de réparer l’effet des
rayonnement mais à partir d’une certaine intensité ce
mécanisme est dépassé.
Il faudra donc tenir compte des deux données, l’intensité des
rayonnements et le temps d’exposition.
L’impact sanitaire de l’exposition devra aussi prendre en compte
l’organe exposé, la nature du rayonnement, l’étendue de
l’organisme exposé:
- Les mains, les membres sont moins sensibles que les organes
de reproduction . Les yeux ne sont pas protégés par la peau.
etc Les cellules dont le renouvellement est rapide sont plus
sensibles .
Tous ces aspects sont à prendre en compte pour la fixation des
normes d’exposition aux rayonnements et les conséquences
engagées pour une exposition.
Comment peut-on être exposés à la radioactivité?
Irradiation – contamination
On dit qu’il y a irradiation ou risque d’irradiation (externe) quand la matière
radioactive n’est pas en contact avec la personne exposée.
Il y a contamination externe quand la matière radioactive est en contact
avec la peau; par une blessure la matière peut pénétrer dans l’organisme et
devenir interne ; le tritium gazeux (T2) traverse la peau par diffusion et
induire une contamination interne.
Il y a contamination interne quand la matière radioactive a été respirée ou
ingérée et s’est fixée dans l’organisme.
Pour l’exposition naturelle nous sommes exposés par:
-la radioactivité des sols et matériaux de construction et les rayons
cosmiques ((irradiation externe)
-la radioactivité de l’air que nous respirons (contamination interne)
-par la radioactivité des aliments que nous consommons (contamination
interne).
Analogies
Irradiation externe : brulure par le coup de
soleil mais plus profonde
Contamination externe : les travaux de
peinture
Contamination interne: les poussières de
combustion, les solvants de bricolage…
Les rayons X sont arrêtés par quelques mm de plomb ou
équivalent en masse.
Pour les neutrons c’est plus complexes car ricochets
(épaisseur comme gamma avec chicanes).
Différents rayonnements et caractéristiques
Barrières – Protections physiques
α β
γ
L’irradiation externe provient principalement des appareils
ou matières émettrices de radioactivité X ou gamma ou
neutrons : Sources radioactives concentrées, générateurs
de rayons X , réacteurs nucléaires et matériaux exposés à
des neutrons.
Les sources d’irradiation seront caractérisées par la nature
de (ou des) l’isotope, par leur radioactivité exprimée en Bq
et par leur intensité exprimée en Sievert par heure Sv/h à
une unité de distance. La dose pour comparer aux normes se
déterminera en multipliant l’intensité par le temps
d’exposition donc on aura un nombre en Sievert (Sv). Une
source de cobalt 60 de 1 Ci (37 milliards de becquerels),
délivre une dose (γ) de 10 mSv par heure à 1 m.
Les émissions alpha ou béta sauf cas très particuliers ne
présentent pas de risques d’irradiation externe car peu d’écran
suffit à arrêter ces particules.
La contamination externe
A l’occasion des manipulations de matières radioactives des
matières peuvent être déposées sur la peau, sur les
vêtements puis des vêtements sur la peau par mauvaises
conditions de déshabillage; il s’agit de contamination externe.
Si les quantités sont importantes cette contamination peut
irradier la peau ou plus profondément selon le type d’isotopes.
Il faut évidemment se contrôler scrupuleusement après toute
manipulation ou en sortie des zones d’opération. Un lavage
soigneux enlève ces matières.
. Le tritium est un cas particulier car il peut diffuser à travers
la peau.
Il faut appliquer des règles d’habillage, de déshabillage,
pratique de travail méthodiques: analogie travaux de
peintures.
La contamination interne
Si la matière radioactive pénètre dans l’organisme il y a
contamination interne.
Elle pénètre:
- par les voies respiratoires
- par ingestion d’aliments ou de boisson
- à travers la peau, cas du tritium, ou par blessure.
Chaque isotope selon sa nature physico-chimique va suivre
une voie biologique spécifique : les poumons, le sang, la
thyroïde (iode), les reins, les muscles, les os (calcium) ….
Pour déterminer l’impact sanitaire il faudra donc connaitre le
radio-isotope en cause.
Le tritium oxydé est en pratique de l’eau au point de vue
chimique et biologique; il se dilue dans tout l’organisme
sachant que les tissus contiennent de l’ordre de 65% d’eau.
La radio toxicité et les normes pour la
contamination interne
Pour calculer une dose par contamination interne, il faut connaitre le
radio-isotope en cause, suivre son parcours dans l’organisme, sa
durée de séjour.
Chaque radio-isotope a ses caractéristiques d’action biologique:
- du fait de la nature et l’intensité de ses rayonnements (X,α,β,γ,
neutron…)
- du fait de sa période radioactive T
- du fait de sa nature chimique et de l’appel de l’organisme( iode,
calcium…)
- du fait de son état moléculaire (lié ou non, complexe oxydant,
réducteur, ..
- Chaque isotope aura son temps de séjour lié à sa chimie et biologie;
On détermine sa période biologique c’est-à-dire le temps qu’il faut
pour éliminer la moitié de la quantité de l’élément contenue dans
l’organisme.
- Le tritium sous forme eau(T2O) a une période biologique Tb de
l’ordre de 10 jours alors que la période radiologique Tr est de
13,27 ans
- pour évaluer l’impact sanitaire à comparer aux normes il existe des
tables qui donnent la dose engagée pour une quantité de
radioactivité mesurée d’un isotope.
Le calcul de la dose consécutive à la contamination
interne se basera sur la période effective de séjour de la
radioactivité dans l’organisme Teff
Et on a la relation 1/Teff = 1/Tb + 1/Tr
Tr étant la période radioactive de l’isotope en question
Tb étant la période biologique .
isotope Tr Tb Teff
Tritium 12 ans 10 jours (organisme entier)
10 jours
Iode 131 8 jours 30 jours (thyroïde) 6,3 jours
Plutonium 239 24110 ans 100 ans (os) 100 ans
On peut modifier la période biologique et donc diminuer la dose subie
en ingérant des produits qui accélèrent l’élimination (chélateurs ) :
DTPA (acide diéthylène triamine penta-acétique) pour plutonium,
américium, curium, fer et cobalt, eau, bière pour le tritium,
13,27 ans
Effets biologique: période effective
1 Gy = 1000 mGy environ 1000 mSv en X et gamma
En radiothérapie la dose est localisée le plus possible sur la tumeur
autour de 50 Gy pour la détruire sans endommager le voisinage.
Exposition naturelle moyenne en France pendant un an 2,5 mSv
Effets d’une irradiation aigüe sur un organe
radiothérapies
La protection :
- L’exposition irradiation externe cesse dès que l’on sort du
champs des rayonnements comme pour l’exposition au soleil.
- L’intensité diminue par l’éloignement de la source selon
l’inverse du carré de la distance ( loi en 1/d2).
- L’interposition d’un écran diminue l’intensité du
rayonnement.
- Par une préparation du travail minutieuse on réduit le temps
d’exposition .
-On peut répartir la dose en faisant intervenir successivement
plusieurs opérateurs.
- Si le rayonnement est élevé on peut travailler par
télémanipulateur ou robot.
- on peut suivre l’accumulation de dose en cours d’exposition
et après grâce à des dosimètres individuels avec alarme.
L’irradiation externe peut être généralisée à tout l’organisme
mais peut être partielle ou localisée, par exemple en
manipulant de la matière radioactive à la main , ou aux yeux
pour les observations directes d’images rayons X ou défaut
localisé d’écran (trou dans un écran de protection par
exemple).
Pour la protection contre la contamination externe:
contrôles, lavage..
Pour la protection contre la contamination interne: zonage,
ventilation, contrôles, tenues de protection, appareil
respiratoire, scaphandre..
2 m 1 m
37 GBq
Co 60
γ1 1,17 MeV
γ2 1,33 Mev
10
mSv/h
2,5
mSv/h
Diminution selon le carré de la distance à la source
Sur toute la surface de la sphère(1/R2 )
Irradiation par une source radioactive
Protection alpha α et béta β
Une boite étanche, une ventilation sûre filtrée, des gants, un
SAS pour évacuation des déchets