Fiche de révision

Les marqueurs radioactifs en imagerie médicale

Contenu

A L'atome

L'atome comporte un noyau autour duquel gravitent les électrons. Le noyau, chargé positivement, est composé de nucléons : protons et neutrons. Il est très petit et dense. L'atome étant neutre, il y a autant de protons (chargés positivement) que d'électrons (chargés négativement).

Un élément est caractérisé par son numéro atomique Z (ou nombre de protons) et par son nombre de masse A (ou nombre de nucléons). Z protons ; N neutrons ; A = Z + N.

On représente un nucléide, c'est-à-dire un noyau atomique par XZA. X est le symbole chimique de l'élément : il commence toujours par une majuscule, suivie éventuellement d'une minuscule pour différencier les éléments chimiques.

EXEMPLE

Tableau de 4 lignes, 4 colonnes ;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : ; Nombre de nucléons; Nombre de protons; Nombre de neutrons; Ligne 2 : N1123a; 23; 11; 23 − 11 = 12; Ligne 3 : U92235; 235; 92; 235 − 92 = 143; Ligne 4 : P84210o; 210; 84; 210 − 84 = 126;

B L'isotopie

Les isotopes d'un élément ont le même numéro atomique, et ont donc un nombre égal de protons, mais ils diffèrent par leur nombre de neutrons N, donc également par A.

EXEMPLE

Pour reconnaître les noyaux isotopes dans la série suivante, il faut regarder quels sont les noyaux qui ont le même numéro atomique : X612 X715 X815 X614 X816

On remarque qu'il y a 2 couples d'isotopes : X612 X614et X815 X816

Deux noyaux isotopes représentent le même élément chimique, ils ont la même charge électrique mais pas la même masse. Ils peuvent avoir des propriétés nucléaires très différentes : certains sont stables et d'autres radioactifs.

C La radioactivité

aDéfinition

La radioactivité est la désintégration de noyaux atomiques instables. Un noyau radioactif se décompose spontanément en un noyau fils différent avec émission de particule ou de rayonnement.

bLes quatre différents types d'émissions radioactives

Trois sont des particules de matière :

Tableau de 4 lignes, 4 colonnes ;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : Radioactivité; Particule émise; Symbole; Charge; Ligne 2 : Alpha (α); Noyau d'atome d'hélium; H24e; + 2; Ligne 3 : Bêta moins (β–); Électron; e−10; − 1; Ligne 4 : Bêta plus (β+); Positron ou positon; e10; + 1;

Le rayonnement gamma (γ) est de nature électromagnétique : il est constitué de photons. Les rayonnements γ ont une fréquence comprise entre 3 × 1019 Hz et 3 × 1022 Hz, ce qui correspond à une longueur d'onde dans le vide λ0 comprise entre 1011 et 1014 m. Les rayons gamma ont des longueurs d'onde plus petites que les rayons X et donc des fréquences plus grandes : ils sont produits par désintégration radioactive contrairement aux rayons X.

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Les équations de décomposition sont régies par les lois de conservation de Soddy : au cours de toute réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de charges ou de protons (Z1 = constante : la somme des numéros atomiques à gauche est égale à celle à droite dans l'équation nucléaire) et conservation du nombre de masse ou de nucléons (A1 = constante : la somme des nombres de masse à gauche est égale à celle à droite dans l'équation nucléaire).

Les équations nucléaires de décomposition :

Tableau de 4 lignes, 3 colonnes ;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : Radioactivité; Schéma général; Exemple; Ligne 2 : Alpha (α); XZA → H24e + YZ−2A−4; Le polonium 210 : P84210o→H24e+P82206b; Ligne 3 : Bêta moins (β-); XZA → e−10+YZ+1A*; Le bismuth 210 : B83210i→e−10+P84210o; Ligne 4 : Bêta plus : (β+); XZA → e10+YZ−1A*; Le phosphore 30 : P1530 → e10+S1430i;

Lors d'une réaction nucléaire α ou β, le noyau formé est initialement dans un état « excité », à cause du bouleversement important suscité par l'éjection de la particule α ou β. Le noyau retrouve son état fondamental en émettant l'excès d'énergie sous forme de radiations ou photon γ : XZA*XZA + nγ (plusieurs photons peuvent être émis : n est un entier).

EXEMPLE

Un radio-isotope U92238 uranium 238 se décompose en N93238p neptunium 238.

L'équation nucléaire est : U92238XZA+N93238p. Pour trouver le rayonnement émis, on utilise les lois de Soddy : 238 = A + 238 et 92 = Z + 93, ce qui permet de trouver A = 0 et Z = – 1.

Le rayonnement émis est donc X10, c'est un électron, il s'agit donc de radioactivité β.

cL'activité

L'activité A(t) au temps t est le nombre de désintégrations par unité de temps : l'activité d'un radioélément peut être mesurée avec un compteur Geiger Muller. Elle dépend du nombre de noyaux présents et du radionucléide.

L'activité s'exprime en becquerel (Bq) : un becquerel correspond à une désintégration par seconde. On peut définir l'activité par unité de masse, l'unité s'exprime alors en becquerel par kilogramme (Bq.kg–1).

Lorsqu'un corps est irradié ou contaminé, il reçoit de l'énergie de la part du rayonnement absorbé. On parle de dose.

La dose absorbée, notée D, est égale au rapport de la quantité d'énergie reçue E par la masse m de matière irradiée : D = Em. L'énergie reçue E est en joule (J), la masse m de matière irradiée en kilogramme (kg) et la dose absorbée s'exprime en Grays (Gy). Ainsi, une dose de 1 gray correspond à 1 joule par kilogramme : 1Gy = 1 J.kg–1.

EXEMPLE

Un individu de masse m = 85 kg est irradié par une source de rayons X. Il reçoit une énergie E = 3,0 mJ. La dose absorbée est calculée D = Em = 3,0×10385 = 3,5 × 10–5 Gy.

La dose équivalente, notée H, prend en compte les effets biologiques différents selon le type de rayonnements : H = wR × D. wR est un facteur de pondération dont la valeur dépend du rayonnement, sans unité. H, la dose équivalente, s'exprime en sieverts (Sv). D, la dose absorbée, est en gray (Gy).

Tableau de 5 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 5 lignes ;Ligne 1 : ; Dose reçue en millisievert (mSv); Ligne 2 : Radio des poumons; 0,3; Ligne 3 : Dose annuelle reçue en France; 2,4; Ligne 4 : Limite annuelle des ouvriers du nucléaire; 50; Ligne 5 : Dose mortelle; 88 × 103;

REMARQUES

Le facteur de pondération est compris entre 1 et 20 selon le rayonnement considéré.

Une dose équivalente de 1 sievert est énorme, on utilise plus souvent le millisievert (1,0 mSv = 1,0 × 10–3 Sv).

Les doses reçues s'ajoutent.

EXEMPLE

Un individu absorbe une dose D = 3,0 × 10–4 Gy lors d'une irradiation avec des particules alpha. Dans ce cas, la valeur du facteur de pondération wr est 20.

La dose équivalente H reçue vaut donc H = wr × D = 20 × 3,0 × 10–4 = 6,0 × 10–3 Sv = 6,0 mSv.

dLa demi-vie radioactive

On appelle demi-vie radioactive t1/2(ou période), le temps au bout duquel l'activité est divisée par deux, c'est-à-dire où la moitié du nombre de noyaux initialement présents s'est désintégrée.

Un échantillon contient des noyaux d'iode radioactifs βI53131. On donne l'évolution de l'activité de cet échantillon en fonction du temps sur le graphe ci-dessous.

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Courbe de décroissance radioactive de l'iode 131

On constate qu'il faut 8 jours pour que l'activité soit divisée par 2 en passant de 1 000 à 500 becquerels : c'est le temps appelé « demi-vie radioactive » de l'iode 131. On remarque qu'il faut à nouveau 8 jours pour que l'activité passe de 500 à 250 becquerels. Et ainsi de suite. Cette demi-vie radioactive ne dépend pas de l'activité.

Les demi-vies radioactives sont très différentes d'un élément radioactif à un autre et même d'un isotope radioactif à un autre, comme le montre le tableau suivant.

Tableau de 2 lignes, 6 colonnes ;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Radio nucléide; U92235; C614; P84212o; T90232h; T90224h; Ligne 2 : Demi-vie radioactive; 4,5 × 109 ans; 5 730 ans; 3 × 10–7 s; 1,41 × 1010 ans; 1,05 s;

D'une manière générale, le graphe d'évolution de l'activité au cours du temps a la forme suivante :

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Graphe d'évolution de l'activité au cours du temps

Au bout d'une demi-vie, l'activité est divisée par 2 : A = Ao2 ; après 2 demi-vies l'activité est redivisée par 2, soit 4 depuis le début : A = Ao4 = Ao22. Lorsque l'on a atteint 10 demi-vies, l'activité de l'échantillon est considérée comme négligeable par rapport au début (elle a été divisée par 210).

D Les marqueurs radioactifs

L'examen consiste à administrer au patient un traceur radioactif, choisi en fonction de sa capacité à suivre un métabolisme ou à fournir un diagnostic sur le fonctionnement d'un organe donné. Le traceur peut être un atome seul (iode 123), une molécule marquée, une hormone marquée ou encore un anticorps marqué par un isotope.

La scintigraphie est le procédé de diagnostic consistant à suivre le cheminement d'un isotope radioactif émetteur de rayons gamma.

La tomographie par émission de positons (TEP) constitue une modalité d'imagerie fonctionnelle reposant sur l'administration au patient d'un traceur légèrement radioactif dont on étudie le métabolisme dans l'organisme.

Dans le cas de l'imagerie, on veut localiser le traceur avec une détection extérieure et en limitant l'exposition aux radiations. Il faut donc choisir des radioéléments émetteurs de rayons gamma, qui irradient peu et sont assez pénétrants pour sortir de l'organisme afin d'être détectés. La demi-vie du radioélément doit être suffisamment longue pour réaliser l'examen médical mais être aussi assez courte pour éviter une irradiation inutile.

Exemples

Quelques traceurs utilisés en radiodiagnostic :

Tableau de 9 lignes, 3 colonnes ;Corps du tableau de 9 lignes ;Ligne 1 : Radio-isotope; Demi-vie t1/2; Applications; Ligne 2 : Technium 99; 6 h; Marquage foie, rate, os, cœur, rein, cerveau, tumeur : scintigraphie.; Ligne 3 : Thallium 201; 72 h; Examen du cœur; Ligne 4 : Iode 131Iode 123; 8 j13 h; Examen de la thyroïde et marquage de molécules vectrices; Ligne 5 : Iridium 111; 2,8 j; Marquage de protéines, peptides; Ligne 6 : Xénon 133; 5,3  j; Ventilation pulmonaire; Ligne 7 : Gallium 67; 3,3  j; Recherche de foyer de tumeurs et d'infection; Ligne 8 : Chrome 51; 3,0 j; Marquage des hématies; Ligne 9 : Fluor 18; 2,0 h; Tomographie à émission de positon;

E La radioprotection du personnel en présence de source radioactive

Une personne peut être exposée de deux manières :

soit par une exposition externe : l'irradiation ;

soit par une exposition interne : la contamination (qui peut se faire par inhalation, par ingestion de substance radioactive ou de manière cutanée).

Cette exposition aura alors différents effets biologiques : somatiques (sur l'organisme) ou génétiques :

les effets somatiques apparaissent sous forme de malaises, vomissement, nausées. La peau peut aussi être brûlée. Les défenses immunitaires peuvent être réduites. Des cancers peuvent apparaître, tels que la leucémie, de manière d'autant plus probable que l'irradiation est forte ;

au niveau génétique, une personne irradiée ou contaminée peut devenir stérile ou subir des dégâts graves : modification de l'ADN (mutations génétiques) ou des chromosomes.

La radioprotection est l'ensemble des mesures qui tendent à protéger les personnes des irradiations ou des contaminations. Il faut agir sur tous les points possibles en éloignant la source des techniciens, en réduisant la dose reçue et la durée d'exposition. Le personnel travaillant dans un environnement de sources nucléaires (médecine ou centrale nucléaire) doit porter des vêtements protecteurs et se tenir à l'abri derrière des écrans sûrs (utilisation de plomb). Le travail à proximité de la source doit être limité dans le temps. De plus, un compteur de dose absorbée est accroché aux vêtements.

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