Ce sont les effets observés lorsque des radiations ionisantes interagissent avec le tissu vivant en transférant leur énergie aux molécules organiques. La gravité de ces effets dépend du type de radiation (alpha, bêta, gamma ), de la dose absorbée, mais aussi du taux d’absorption et de la radio sensitivité des tissus concernés. Les effets biologiques d’une irradiation rapide sont très différents de ceux d’une irradiation longue. Les premiers entraînent une mort cellulaire et se manifestent en quelques heures, jours ou semaines. Les autres sont mieux tolérés car une partie des lésions sont réparée. Cependant, des doses de radiation trop faibles pour détruire les cellules peuvent néanmoins provoquer des modifications cellulaires dont les conséquences apparaissent au bout de plusieurs années.

Les fortes doses de radiations provoquent des lésions caractéristiques. Des doses de plus de 50 grays endommagent gravement le système vasculaire provoquant des oeudèmes cérébraux qui se traduit par un état de choc et des perturbations neurologiques. La mort survient en 48 heures. Des doses de 10 grays à 40 grays provoquent des troubles vasculaires moins graves. La mort survient en une dizaine de jours à cause du déséquilibre affectant la moelle osseuse, par effondrement des défenses immunitaires. Des doses de 5 à 15 grays entraînent la destruction de la moelle osseuse provoquant des infections et des hémorragies. La mort peut survenir 4 à 5 semaines après l’exposition. A l’heure actuelle ; seuls les effets à faible dose peuvent être traités efficacement. En l’absence de traitement, la moitié des personnes ayant reçu de 3 à 5 grays (énergie absorbée par un milieu homogène d'une masse d'un kglorsqu'il est exposé à un rayonnement ionisant apportant une énergie d'un joule)  sont condamnées.

Deux types d’effets somatiques peuvent être distingués selon leur loi d’apparition :

-Ceux qui adviennent obligatoirement chez tous les irradiés dès que la dose a dépassé un seuil,ce sont les effets obligatoires.

-Ceux qui surviennet auc hasard parmi une population faible,même aux fortes doses .Ce sont les effets aléatoires.

Ces techniques d’imagerie médicale utilisent des produits radioactifs. Mais la dose de radioactivité émise est si faible que sa nocivité est négligeable.

Scintigraphie

Dans une scintigraphie, une succession d’éléments représentés par des points construisent, par leur somme et leur dispersion des images ou l’on peut reconnaitre les « constellations » de notre anatomie, la silhouette en papillon de la thyroïde par exemple.

Aspect est figé certes mais il correspond à un véritable scintillement, celui produit par la désintégration d’atomes radioactifs sur des appareils d’enregistrement.

Scintigraphie de la thyroïde

Voici une face antérieure de la thyroïde par scintigraphie. La gammacaméra révèle un nodule chaud du lobe gauche.

Une prescription à cette technique d’imagerie médicale a lieu:

• Pour détecter une éventuelle anomalie dans les os, la glande thyroïde, le cœur ou le cerveau
• Pour détecter précocement des métastases, c’est-à-dire le développement des cellules touchées par un cancer
• Pour avoir une image du fonctionnement d’un organe en suivant « à la trace » les atomes radioactifs utilisés. Les images obtenues sont alors des images fonctionnelles.

Scintigraphie osseuse d’un cas de cancer de la prostate

Voici l’image d’une personne atteinte d’un cancer de la prostate. Nous observons ici des métastases qui se sont développées au niveau de la colonne vertébrale, des côtes, du bassin et du crâne.

Le déroulement d’une scintigraphie 

Avant examen, on fait injecter dans l’organisme par les veines, par inhalation ou par voie orale une préparation contenant des atomes radioactifs choisis en fonction de leur affectation à l’organe que l’on veut explorer.

Ainsi pour explorer la glande thyroïde (organe qui fixe de l’iode), on injecte aux patients une solution contenant de l'iode radioactif. L'iode se fixera dans la glande, ses atomes radioactifs se désintégreront et cette désintégration s'accompagnera d'une émission de rayons gamma.

Un photomultiplicateur associé à la gammacaméra va transformer ces rayons gamma en signaux électriques. Ils sont ensuite traités par un ordinateur  et ses annexes afin de donner une image sur un écran ou sur un film.

La tomographie par émission de position TEP:

La tomographie par émission de positions est actuellement en médecine nucléaire la méthode d'imagerie la plus performante. Elle est implantée sur une dizaine de sites en France. Cette technique est principalement utilisée en recherche clinique pour étudier la fonction des organes (on parle d'imagerie fonctionnelle). La TEP utilise très majoritairement le FDG (molécule de glucose modifié par un isotope radioactif) pour des examens en cancérologie.

Le 18F-FDG (fluorodesoxyglucose marqué au fluor 18) est un sucre semblable au glucose, rendu radioactif. C’est la radioactivité de cet atome de fluor particulier « accroché » au glucose qui permet sa détection par la caméra TEP.

Les cellules cancéreuses se multiplient sans cesse. Ces nombreuses multiplications nécessitent beaucoup d’énergie ; elles ont donc une consommation anormalement élevée de glucose par rapport aux cellules normales. C’est grâce à cette consommation excessive de glucose que l’on peut repérer le tissu cancéreux avec la caméra TEP.

L’élément alors fixé au glucose se comporte comme celui-ci mais il n’est pas une source d’énergie utilisable par la cellule cancéreuse. La molécule de 18F-FDG s’accumule dans le cytoplasme de la cellule car il n'est pas reconnu par les enzymes du cycle de dégradation en énergie par les mitochondries du glucose normal. En devenant radioactive, la cellule émet des rayonnements qui peuvent être détectés par la caméra TEP. Le tissu cancéreux est ainsi repéré grâce à l’accumulation du produit radioactif.

Le système informatique relié à la caméra TEP produit des images en coupe et en trois dimensions des endroits du corps où le 18F-FDG s'est accumulé.

La TEP est également utilisée pour des études du métabolisme cérébral. En effet les images fournies par la TEP permettent de localiser les parties du cerveau qui s'activent lorsque celui-ci effectue une tâche bien précise. La technique consiste à repérer, à l'aide des traceurs radioactifs bien choisis,  les variations de débit sanguin cérébral qui accompagne l'activation des zones du cerveau.

L’activité du cerveau par la TEP

Cette image montre l’activité cérébrale d’une personne lorsqu’elle effectue une ou plusieurs actions.

A la sortie d’un examen de TEP :

Le patient est peu radioactif, il a absorbé durant l’examen une dose de 7miliSievert (unité utilisé pour évaluer l’impact d’un rayonnement radioactif sur l’Homme). Néanmoins cette dose est équivalente à la dose absorbée en 2ans d’une exposition naturelle en France. Le patient doit boire régulièrement jusqu’à 3 heures après l’examen pour éliminer au plus vite le traceur radioactif de l’organisme. La quantité de la substance radioactive diminue assez rapidement car elle a une durée de vie extrêmement limitée.

Une TEP pour un cancer ?

Une TEP scan est une très bonne technique pour étudier l’évolution d’un cancer ou encore pour en détecter un. Pour une tumeur de 8mm ou plus, il est possible de mesurer :

• Son intensité,
• Son évolution,
• Sa gravité,
• Sa réaction aux traitements.

Cela constitue une grande avancée pour le domaine de la cancérologie.

On utilise généralement la TEP pour soigner:

• Cancer du poumon, du sein, du colon, du rectum, ORL (Oto-Rhino-Laryngologie), de l’ovaire, de l’utérus, de l’œsophage et de l’estomac.
• Des mélanomes
• Les lymphomes

PET-SCAN

Le Pet-scan est un examen d'imagerie nucléaire qui combine la TEP et le Scanner.  Le scanner utilise des rayons X pour détecter les anomalies chez le patient traité. Dans le cas du Pet-scan, le scanner permet de situer les images obtenues à la TEP dans l’organisme. Combiner ces 2 techniques d’imagerie médicale est une véritable avancée médicale.

Voici un assemblage d’images de corps humains photographiés par la TEP et le scanner :

le Pet-scan.

L’appareil du pet-scan : assemblage de la TEP et du scanner.

Image au Pet-scan d’un cancer du poumon

Les images des différentes coupes du corps humain par le Pet-scan nous permettent une localisation précise de la tumeur.

La maladie d’Alzheimer

La maladie d’Alzheimer est une maladie neurodégénérative chronique du tissu cérébral, elle évolue progressivement, cause des dégâts sur la mémoire et surtout sur les capacités intellectuelles qui sont irréversible.

Elle est due à une dégénérescence neurofibrillaire (accumulation anormale dans les neurones de certaines aires spécifiques du cerveau, provoquant des filaments) et a la présence de plaques amyloïdes (Amas de protéine bêta-amyloïde formées a l’extérieur des neurones, la peptide environnante contenue formant des plaques séniles diminue la connexion entre les neurones).

Pet-scan complète les informations apportées par une TEP. Plaques amyloïdes et l’évolution l’ampleur de ma maladie sont visibles au pet-scan.

Pet-scan de la maladie d’Alzheimer

La maladie de parkinson

La maladie de parkinson est aussi une maladie neurodégénérative, qui touche les neurones responsable des mouvements du corps. Le tremblement d’une main, des difficultés d’écriture, ou encore une réduction de l’activité physique sont considérés comme des symptômes de la maladie. Puis quand la maladie est bien présente, la personne atteinte effectue des mouvements lents, acquière une certaine rigidité, et  tremble. La maladie se contracte en général après 50ans, le cas d’hérédité est rare.

Un Pet-scan est outil important pour évaluer la maladie, car elle est due à la destruction des cellules du cerveau responsables de la production de dopamine (substance jouant un rôle dans le contrôle des mouvements). Elle permet aussi d’étudier le métabolisme des cellules.

Injection 18F-DOPA (fluor 18) chimiquement proche de la dopamine permet l’évaluation des changements du système dopamique lorsque la substance est absorbée par le patient.

Image au Pet-scan de la maladie de Parkinson

Voici la comparaison d’images de cerveau entre un individu non atteint, peu atteint et très atteint de la maladie de Parkinson.

Hypertrophie cardiaque

Le Pet-scan est utilisé en radiologie. Il permet en règle générale de visualiser la variabilité du muscle cardiaque (le cœur) à la suite d’un infarctus. Il permet de détecter des maladies cardiaques comme l’hypertrophie cardiaque ou ventriculaire (augmentation du volume du ventricule).

Image au Pet-scan d’une coupe transversale du muscle cardiaque

Voici l’image d’un ventricule possédant un volume anormale.

Les limites de ces techniques d’imagerie médicale utilisant des substances radioactives :

• Certains organes ne sont pas suffisamment explorés par cette technique. C'est le cas de la vessie et des reins puisque le FDG (substance radioactive ingurgitée) est éliminé dans les urines.
• Les résultats de l'examen peuvent être faussés suite un déséquilibre chimique dont souffre le patient ou encore à cause d'un patient diabétique ou ayant consommé de la nourriture avant l'examen. Les résultats sont donc faussés à cause de leur taux trop important de glucose et d'insuline dans le sang. 
• La substance radioactive utilisée lors de l'examen se désintègre très rapidement. Elle doit ainsi être préalablement préparée peu de temps avant l'examen et surtout à proximité du centre. Pour information, le Pet-scan doit être effectué par une personne qualifiée formée en médecine nucléaire et qui a une grande connaissance sur cette technique.

Les risques :

• La substance radioactive peut entraîner des risques d'exposition aux rayonnements pour les fœtus, pour les femmes enceintes, ou encore pour les nourrissons allaités par des mères passant un Pet-scan.
• Les personnes diabétiques encourent un risque majeur puisqu'on leur injecte une dose de glucose. Ces personnes sont alors signalées avant de passer l'examen.
• Certains patients peuvent, suite à l'injection du traceur, mais c'est très rare, avoir une réaction allergique provoquant un gonflement, une douleur ou encore une rougeur.

Développement du Pet-scan

• Ø Le coût

Le coût élevé de la machine qui permet de passer l'examen perturbe le développement de cette nouvelle technologie. En effet, l'appareil a un coût de 2,5 millions d'euros, l'installation coûte 800 000 euros, et le budget du fonctionnement est de 2 millions d'euros par an. De plus, la dose de fluor 18 est à 500 euros. L'examen, quant à lui, a un prix de 1200 euros en France.

• Ø En France

Il y a actuellement 59 Pet-scan sur le territoire français. A ce jour, le gouvernement n'accepte qu'un seul Pet-scan en France pour 800 000 habitants. Par ailleurs on privilégie l'installation des Pet-scans dans les hôpitaux (publics) plutôt que dans les cliniques (privées).

• Ø Dans le monde

Actuellement, il y a environ 670 Pet-scan dans le monde.

Dans les différents continents nous pouvons en trouver environ 285 en Amérique dont 270 en Amérique du Nord, 275 en Europe, 85 en Asie, 20 en Océanie et 3 en Afrique.

http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/gammacamera.htm

http://tpe-pet-scan.e-monsite.com/pages/le-pet-scan.html

Les différents rayons

La radioactivité est issue de la désintégration du noyau de certains atomes lourds, instables, à ce moment, les atomes émettent une particule. Il y a trois formes d'émissions différentes :

• Les rayons alpha (composés de 2 protons et 2 neutrons) sont des éjections de particules facilement arrêté par une feuille ou encore par une couche d'air. Ils sont causes de brûlures superficielles sur la peau.
• Les rayons bêta qui consistent aussi en une éjection de particule, peuvent traverser une feuille mais pas un papier aluminium. Ils pénètrent plus loin dans l’organisme que les rayons alpha, jusque dans les couches superficielles de la peau.
• Les rayons gamma eux, sont des ondes seulement arrêtées par plusieurs dizaines de centimètres du plomb et qui pénètrent dans l'organisme en provoquant des dégâts conséquents sur leur passage.

Dans ce schéma, nous voyons bien que les rayons alpha αatteignent seulement l’épiderme, c’est pourquoi ils causent des brûlures superficielles.

La flèche verte, représentant les rayons bêta β, traversent les couches superficielles de la peau (épiderme, derme, hypoderme) et causent des brûlures plus importantes.

Nous voyons bien que la flèche rouge (rayon gamma γ) passe au travers du muscle. Elle cause donc des dégâts plus conséquents.

Les éléments qui composent la radioactivité

La radioactivité se trouve à l'état naturel principalement dans les sous-sols où il y a du granite donc de l'uranium et parfois du radium. L'uranium est un métal lourd (comme le plomb ou le fer) qui a la particularité de dégager des rayons tellement pénétrants qu'ils pourraient traverser un matelas, de plus, dans n'importe quel milieu, il continue à rayonner de même manière. D'ailleurs, plus il y a de l'uranium dans un milieu, plus ce milieu est radioactif. Il existe plusieurs types d’uraniums (famille, isotopes), ils ont tous le même nombre d’électrons et de protons (92) mais des nombres différents de neutrons. A partir de la 6ème génération de désintégration, l'uranium 235 devient un gaz, le radon. Le radon, s'il est absorbé, devient solide dans l'organisme et se dégrade progressivement. C'est ce qu'on appelle la contamination. Ce n'est qu'à la 14ème génération que l'uranium deviendra stable et se transformera en plomb 206.

Le radium (d'un aspect totalement blanc mais qui noircit lors de son exposition à l'air libre) est un métal encore plus radioactif que l'uranium. Après sa découverte, il a été utilisé dans plusieurs produits tels que des crèmes rajeunissantes les cigarettes, les sodas atomiques, les poudres de riz, les dentifrices, les sels de bain, le talc pour bébé avant d'être interdit en 1937. Heureusement, le radium n'était pas toxique dans ces produits car il était si cher qu'il était incorporé en quantité infime.

Le polonium est un autre élément chimique hautement radioactif : l’absorption de 1 à 10 microgrammes est suffisante pour provoquer la mort. De plus, on estime qu'1% des cancers du poumon aux États-Unis est causé par cet élément. Le polonium est aussi utilisé comme source primaire au démarrage des réacteurs nucléaires ou dans le domaine spatial comme source d'énergie pour les satellites.

Présence

On trouve beaucoup d’éléments radioactifs dans l’espace : ils sont à l'origine de la formation des étoiles et des planètes. Il y en a aussi dans le sous-sol ce qui réchauffe la croûte terrestre. Ils sont aussi présents dans les végétaux et chez les animaux c’est pourquoi on peut trouver de la radioactivité dans les aliments.

Exposition

Les rayonnements radioactifs provenant de l’espace (étoiles, planètes) constituent 60% de nos expositions a la radioactivité. Nous sommes aussi exposés a des rayonnements artificiels (radiographie, déchets nucléaires) mais il est de l’échelle de 1%. D'autre part les maisons construites avec des pierres anciennes contiennent souvent de l'uranium donc de la radioactivité. Au delà d'une exposition de 1000 becquerel, le risque de cancer des poumons augmente.

Les effets de la radioactivité sont plus importants lorsque le noyau met le plus longtemps à se dégrader. Pour mesurer leur durée de vie (souvent très longue) on utilise la notion de « demi-vie ». Elle correspond à la durée pendant laquelle la moitié des noyaux radioactifs se désintègrent. Celle du radium par exemple est de 1602 ans.