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La Tomographie par Emission de Positons : la TEP

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ACROnique du nucléaire n°68, mars 2005

Cette technique récente d’imagerie médicale, aussi connue sous l’abréviation anglaise PET Scan, est utilisée par le centre de recherche CYCERON, situé à Caen dans le Calvados. Ce laboratoire de recherche et d’investigation biomédicales a commandé à l’ACRO une étude d’impact précédent des travaux d’agrandissement. Nous profitons de cette étude pour faire le point sur cette technologie.

La tomographie par émission de positons  est un examen d’imagerie médicale qui permet de visualiser les activités du métabolisme, plus précisément des tissus, chez les humains. Elle diffère des technologies conventionnelles aux rayons-X  et par résonance magnétique qui se limitent aux images de l’anatomie. Les changements physiologiques précèdent les changements anatomiques et, par conséquent, la tomographie par émission de positons permet de déceler à une phase plus précoce les dommages métaboliques et ainsi à aider à contrer leur progression.  Les images sont obtenues par injection dans l’organisme d’une molécule radioactive marquée par des isotopes du carbone, du fluor ou de l’oxygène (émetteurs de positons).Cette technique permet de localiser, en chaque point d’un organe, une substance marquée par un radioélément administré à un sujet vivant, et de suivre dans le temps l’évolution de cette substance. Elle fournit ainsi une image quantitative du fonctionnement de l’organe étudié.

Protocole

C’est une scintigraphie faite après l’injection par intraveineuse d’un produit radioactif (traceur) : le 18F-fluoro-désoxy-glucose ( 18F-FDG). L’activité injectée est fonction du poids du patient, elle varie  de 180 à 300 MBq. Pour un individu adulte à qui l’on injecte 300 MBq de 18F-FDG, la dose efficace reçue sera de : 5,7 mSv. [elle sera de 3,42 mSv pour une injection de 180 MBq…]. Cette dose efficace reçue varie avec l’âge de l’individu :
– Pour un enfant de 10 ans, la dose sera de 10,8 mSv pour 300 MBq injectés (ou de 6,48 mSv pour 180 MBq.)
– Pour un enfant de 5 ans, la dose sera de 9 mSv pour 180 MBq injectés (on présume qu’on n’injectera pas 300 MBq pour un petit poids corporel…)
Ces doses sont à comparer avec la limite d’exposition annuelle pour le public qui est de 1 mSv par an, limite réglementaire fixée pour la quantité d’irradiation qu’un individu peut recevoir à partir de sources artificielles, en excluant, bien évidemment, les sources médicales et naturelles. Les limites autorisées pour les travailleurs du nucléaire sont plus élevées (6 ou 20 mSv/an selon la catégorie). L’irradiation naturelle est en moyenne, en France, de l’ordre de 2,4 mSv/an.

Ce traceur (18F-FDG) est semblable au glucose (sucre) il est absorbé dans les parties du corps où son métabolisme est le plus actif, (le cœur , le cerveau, le foie etc, ainsi que les tissus cancéreux). La caméra TEP détecte les rayonnements qui proviennent des organes du patient et est équipée d’un système informatique capable de donner des images précises, en 3 dimensions, de la répartition du traceur ; on peut ainsi visualiser le fonctionnement des organes, des tissus, des cellules et leurs activités.

Développée au départ pour les recherches scientifiques sur le cerveau et le cœur, (elle permet de déceler et de localiser les lésions cérébrales qui causent l’épilepsie ou les malformations dans les muscles du cœur) ; la TEP  est aujourd’hui fréquemment utilisée en cancérologie car elle permet de déceler les tumeurs cancéreuses à une étape plus précoce que  les autres formes d’imagerie et de déterminer avec précision si une tumeur est de nature bénigne ou maligne.

Production d’isotopes

La très courte durée des radionucléides utilisés en TEP nécessite leur production par un  cyclotron sur le site même de l’utilisation. Les radionucléides (oxygène (15O), azote(13N), carbone (11C) et fluor (18F)) sont produits par réaction nucléaire, en bombardant par un faisceau de particules accélérées, des cibles constituées par des éléments naturels appropriés. A cette fin, il peut délivrer deux types de faisceaux, chacun ayant une énergie fixe prédéterminée.
·  Faisceau de protons (noyaux de l’atome d’hydrogène)
·  Faisceau de deutons (noyaux formés par l’association d’un proton et d’un neutron)

Synthèse des molécules marquées

Le laboratoire de Chimie réalise le marquage et la synthèse des molécules d’intérêt biomédical destinées à véhiculer ces radioéléments vers l’organe étudié, par injection intravasculaire. Tous ces radionucléides se caractérisent par une demi-vie très brève : 50% du radionucléide produit a disparu par émission d’un positon au bout de 2 minutes pour 150, au bout de 2 heures pour 18F. Le marquage doit donc être effectué très rapidement. De plus, les rendements de synthèse sont faibles, ce qui impose un travail à un niveau de radioactivité élevé.

Caméra à Positon

La caméra à positon enregistre les désintégrations de l’isotope injecté au patient et permet ainsi  l’acquisition des images. Cet appareil a l’aspect d’un scanner ou d’une IRM même si le principe de fonctionnement est différent. Lors de l’examen, le patient est allongé sur un lit qui se déplace à l’intérieur d’un anneau détecteur, l’examen dure de 20 à 40 minutes. Depuis 1997, à Cycéron, avec la mise en pleine exploitation de la nouvelle caméra ce sont 450 examens TEP qui sont réalisés et analysés chaque année, à la demande de médecins en vue d’affiner un diagnostic ou de suivre l’efficacité d’un traitement.

Effets secondaires pour le patient et son entourage

En raison de l’activité des radionucléides injectés (même si ils ont une durée de vie courte), cet examen est contre indiqué aux femmes enceintes, aux mères allaitant, (la radioactivité se retrouvant dans le lait, il faut suspendre provisoirement l’allaitement) et les contacts avec les jeunes enfants et les femmes enceintes sont à éviter  la journée suivant l’examen. Des précautions sont donc à prendre vis à vis du milieu familial, professionnel ou hospitalier  pendant environ 12 heures, temps moyen pour que la plus grande partie de la radioactivité ait disparu.

La justification et l’optimisation des doses

Les pratiques médicales qu’elles soient à visées diagnostiques ou thérapeutiques constituent en France la principale source d’exposition aux rayonnements ionisants d’origine artificielle (avec, bien évidemment, une disparité importante selon les personnes). Le développement de la médecine nucléaire contribue également  à disséminer des éléments radioactifs dans l’environnement (par les patients et par les installations.)

L’exposition aux rayonnements ionisants doit apporter un avantage supérieur au  préjudice qu’ils peuvent provoquer. Ce principe fondamental de justification doit être respecté, le principe d’optimisation, qui impose d’obtenir le meilleur résultat pour la moindre dose, doit également être une priorité de santé publique. Les effets pathogènes des rayonnements ionisants exigent un encadrement et une maîtrise et, surtout, une prise de conscience qui restent à construire.

Glossaire :

Becquerel (Bq) : unité standard internationale de mesure de la radioactivité équivalant à une désintégration par seconde. MBq : million de Becquerels

CYCERON : Abréviation pour : cyclotronchimiepositon. CYCERON associe une équipe technique ayant la charge des équipements lourds (cyclotron, radiochimie, caméras) et de l’infrastructure ainsi que des équipes de recherche relevant du CEA, du CNRS, de L’INSERM, de l’université de Caen et du CHU de Caen

Dose efficace : L’unité est le sievert (Sv). Pour les besoins de la radioprotection on a défini une grandeur appelée dose efficace qui essaie de tenir compte, chez l’homme, des dommages radiologiques occasionnés. Une même dose de rayonnement ne provoque pas les mêmes dommages suivant qu’il s’agit d’irradiation ou de contamination, suivant le type de rayonnement et enfin suivant la nature des tissus touchés. (mSv = milli sievert).

Positon ou positron : antiparticule associée à l’électron, de charge positive et de mêmes caractéristiques que l’électron.

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Les radiations ionisantes

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Texte écrit pour le Dictionnaire des risques (Armand Colin 2003 et 2007) et paru dans l’ACROnique du nucléaire n°64, mars 2004

Les radiations ionisantes correspondent à des rayonnements électromagnétiques ou particulaires possédant une énergie associée supérieure à 10 électron-volt (eV). En-dessous de cette valeur en énergie, les radiations sont dites « non ionisantes » et on y classe notamment les rayonnements ultra-violets ou encore les champs électromagnétiques de très basse fréquence. Ces derniers, bien que « non ionisants », ne sont pas pour autant dépourvus d’effets pathologiques chez l’homme ou l’animal.

Ce qualificatif de « ionisant » est important car il va désigner le mécanisme initiateur (à l’échelle moléculaire) qui sera à l’origine même de la toxicité de cette classe de radiations. Sur son parcours, une radiation créera en moyenne une paire d’ions pour un dépôt d’énergie de 33 eV. Ainsi, une particule alpha de 5,3 MeV (millions d’eV) générera plus de 150 000 paires d’ions sur un parcours de 40 µm dans les tissus. Si les radiations ionisantes se classent en fonction de leur nature, leur toxicité respective sera également une manière de les distinguer. De façon résumée, cette toxicité propre sera d’autant plus élevée que la densité d’ionisation produite sera grande.
Les radiations ionisantes agissent suivant deux voies d’action dont la contribution respective aux dégâts biologiques radio-induits restent l’objet d’un débat scientifique. D’une part, elles génèrent des cassures moléculaires (c’est l’effet direct), d’autre part, elles provoquent la radiolyse de l’eau (c’est l’effet indirect) conduisant à la formation de radicaux libres qui constituent des espèces moléculaires fortement toxiques.
La chronologie des événements qui surviennent consécutivement à une irradiation souligne une échelle de temps joignant les extrêmes. Le phénomène d’ionisation est quasi-instantané (10-15 sec), de même que la production de radicaux libres (10-9 sec) et les lésions sur le patrimoine génétique seront instaurées dans la seconde voire la minute qui suit l’irradiation. On comprend dès lors toute l’importance de la prévention mise en avant dans l’exercice de la radioprotection. Si ces lésions moléculaires peuvent être à la cause d’effets pathologiques visibles dans les jours et les semaines qui suivent (cas des fortes doses), elles seront aussi à l’origine d’effets tardifs pouvant survenir des années (voir plusieurs dizaines d’années) après l’exposition (en particulier la radio-cancérogénèse) ou encore dans la descendance (effets génétiques).

L’homme est exposé aux radiations selon différentes voies d’atteinte. Les rayonnements pénétrants issus de sources externes (corps radioactifs, appareils électriques accélérant des particules) sont les contributeurs d’une irradiation externe. Les substances radioactives présentes dans l’environnement (ou dispersées dans l’environnement par l’homme) participent à la contamination interne des personnes soit par inhalation (gaz, aérosols..), soit par ingestion au travers de la chaîne alimentaire (qui conduit souvent à des processus de re-concentration des toxiques).

L’origine des expositions aux radiations ionisantes peut être naturelle (cosmique et tellurique) ou artificielle (anthropologique).
Les sources d’exposition naturelle ainsi que les estimations de dose annuelle qui leur sont actuellement attribuées [1] sont présentées dans le tableau ci-dessous. On soulignera le rôle prépondérant du radon, un gaz radioactif (émetteur alpha) issu de la chaîne de l’uranium qui contribue pour plus de 50% à l’ensemble de cette exposition naturelle et qui pourrait constituer un problème de santé publique. Le Comité BEIR de l’Académie des Sciences US a récemment évalué entre 15.400 à 21.800 le nombre de cancers du poumon dû, chaque année au sein de la population américaine, au radon domestique [2]. Toujours selon l’Académie américaine, il représenterait la deuxième cause du cancer du poumon après le tabac. Les radiations cosmiques quant à elles ont fait l’objet de multiples investigations depuis le début des années 90. Leur débit de dose, faible au niveau du sol (0,03 µSv/h),peut être 150 à 200 fois plus élevé lors de vols intercontinentaux (5 µSv/h). Certaines études [3] ont pu mettre en évidence un excès d’anomalies chromosomiques caractéristiques de l’action des radiations. De fait, les personnels navigants devraient sans doute être considérés comme « personnels exposés » aux radiations ionisantes et classés comme les salariés du nucléaire.

Sources Dose moyenne
annuelle (mSv)		 Domaine de
variation (mSv)

Exposition externe :

– rayonnement cosmique

– rayonnement tellurique

0,4

0,5

0,3 – 1,0

0,3 – 0,6

Exposition interne :

– inhalation (dont radon)

– ingestion

1,2

0,3

0,2 – 10

0,2 – 0,8
Total 2,4 1 – 10
[source : UNSCEAR, 2000]

Quant aux sources d’exposition artificielle, elles relèvent soit de l’exposition médicale (environ 1,2 mSv/an mais avec un domaine de variation très large) soit d’expositions d’origine industrielle ou militaire. En affirmant le principe de justification des actes radiologiques, la mise en application de la directive européenne 97-43 [4] devrait permettre de réduire les doses médicales, en particulier par la chasse aux examens inutiles qui perdurent encore trop souvent dans un milieu où la radioprotection a rarement été un souci majeur. Les essais nucléaires nombreux (945 explosions réalisées par les USA, 210 pour la France…) ont dispersé à la surface de la planète (principalement dans l’hémisphère nord) des quantités importantes de radioactivité qui, aujourd’hui encore, marquent notre environnement. Même s’ils détiennent chacun des activités très modestes comparativement à l’industrie nucléaire, on ne peut ignorer les nombreux « détenteurs » de sources radioactives utilisées en milieu hospitalier, dans les centres de recherche ou au sein de petites entreprises. En France, ils sont environ 5000 utilisateurs autorisés à détenir des sources scellées et non scellées. Des millions de sources radioactives sont ainsi dispersées dans le monde, dont plusieurs dizaines de milliers présentent de fortes activités (exprimées en terabecquerels, TBq). Régulièrement, des pertes, vols, actes de sabotage sont enregistrés. Plus grave, le trafic de ces matières s’est intensifié au cours des années 90 (il a doublé entre 1996 et 1999). De tels actes ont été confirmés dans plus de 40 pays, et ce n’est que la partie visible de l’iceberg. Depuis le 11 septembre 2001, la menace d’actes terroristes radiologiques (les « bombes sales »..) sont prises très au sérieux, y compris par la France où une circulaire (circulaire 800) est venue renforcer le dispositif en mai 2003. Le secteur de l’industrie nucléaire, avec son talon d’Achille que constituent les déchets nucléaires [voir Les déchets nucléaires], reste cependant l’objet principal des craintes exprimées par une large fraction de la population [5]. Issu du nucléaire militaire, il faut bien reconnaître que le principe de justification ne s’est jamais appliqué au programme nucléaire dont la France a fait son cheval de bataille. L’apparition de batteries lance-missiles Crotale déployées sur le plateau de la Hague (Nord Cotentin) en réponse aux attentats du 11 septembre a souligné brutalement l’extrême fragilité des systèmes de protection existants [6]. En matière de risques externes, la dimension de tels actes n’a jamais été prise en compte.

En regard de l’équation définissant le risque – le risque est égal au produit du danger potentiel par une probabilité d’occurrence d’un événement donné et par l’intensité des conséquences sanitaires et écologiques – le discours officiel ne s’est toujours porté que sur le second terme de l’équation (la probabilité d’occurrence) qu’il convenait de maintenir le plus faible au possible. La présentation des rapports de sûreté des installations nucléaires est de ce point de vue éclairant (pour certaines installations, l’exploitant est allé jusqu’à présenter le niveau de risque de chute d’un petit avion de tourisme en « probabilité d’impact par m2 » pour souligner son caractère « négligeable »). On est aujourd’hui légitimement en droit de se demander si la société n’a pas le devoir de refuser (pour elle-même et pour les générations futures) que s’érigent des installations industrielles présentant des niveaux de danger potentiel extrêmes et cela, indépendamment des estimations probabilistes présentées. Dans une certaine mesure, cette démarche rejoint une approche très actuelle en matière de maîtrise des risques industrielles qui vise à « réduire le danger à la source ».

La radioprotection. Dans l’année même (1896) qui suivi la découverte des Rayons X (1895) les premières règles pratiques de protection sont recommandées. Dès le tout début du siècle, les dangers de rayonnements ionisants deviennent de plus en plus apparents et des comités nationaux apparaissent en 1913 dans le but de les étudier. Le premier congrès international de radiologie (1925) reconnaît la nécessité d’évaluer et de limiter l’exposition aux radiations. Pour répondre à ce besoin, le Comité International de Protection contre les Rayons X et le Radium est créé en 1928 et il deviendra (en 1950) la Commission Internationale de Protection Radiologique (CIPR). En 1934, les premières limites de dose sont instituées tout en considérant l’existence de seuils d’innocuité (reconnaissance des seuls effets déterministes). Mais en 1955, le concept de seuil est rejeté et les effets stochastiques considérés comme « irréversibles et cumulatifs » sont maintenant pris en compte. Durant les années 60 et 70, le débat autour de l’acceptabilité du risque conduira à l’élaboration du concept ALARA (maintenir les expositions à un niveau aussi faible que raisonnablement possible). Depuis, les recommandations de la CIPR conduiront à des réductions successives des limites de dose (en 1977 puis en 1990) d’abord pour les travailleurs mais aussi, et c’est nouveau, pour le public. Cette évolution est résumée dans le tableau ci-contre.

Année Travailleurs Public
1934 env. 600 mSv/an (0,2
roentgen/jour)
1938 env. 500 mSv/an (1
roentgen/semaine)
1951 env. 150 mSv/an (0,3
roentgen/semaine)
1959 (et
1977)		 50 mSv/an 5 mSv/an
1990 20 mSv/an 1 mSv/an

Les travaux de la CIPR conduiront à l’élaboration de trois grands principes fondamentaux : le principe de justification (une pratique doit faire plus de bien que de mal), dont nous avons souligné le peu d’empressement à le mettre en application ; le principe d’optimisation de la radioprotection (qui s’appuie largement sur le concept ALARA) ; le principe de limitation des expositions (valeurs limites censées interdire l’apparition d’effets déterministes et limiter le plus possible l’induction d’effets stochastiques). Ces trois principes fondamentaux viennent d’être intégrés au Code de la Santé Publique pour la première fois en 2002, année qui sera marquée en France par une réorganisation importante du système de radioprotection et des dispositions réglementaires correspondantes.

Le débat autour de la radioprotection est également très animé. Il repose pour l’essentiel sur la nature de la relation dose / effet. Depuis la fin des années 80, les principales instances internationales admettent que cette relation est de type « linéaire et sans seuil ». L’enjeu est important car cela signifie que toute dose, même très faible, est susceptible de produire un effet (induction de cancers ou affection de la descendance) en terme probabiliste.
Pour autant, cette relation ne serait prouvée que dans un domaine de dose plus élevé que celui de la radioprotection (niveaux d’exposition des travailleurs ou du public) car elle est déduite presque exclusivement de l’analyse des données du suivi des survivants aux explosions nucléaires de Hiroshima et Nagasaki. La poursuite de l’étude après 1985 a permis, d’une part, d’observer que les cancers continuent à apparaître en excès plus de 40 ans après et, d’autre part, d’affiner la limite inférieure de cette relation étayée qui passe ainsi de 200 mSv à 50 mSv confortant l’hypothèse de la linéarité sans seuil.
Les modes d’exposition étant très différents entre les populations d’Hiroshima et Nagasaki (qui ont subi une dose forte et aiguë) et les populations vivant autour d’installations nucléaires (qui reçoivent des doses faibles et chroniques), le modèle de la CIPR fait l’objet de critiques fortes de la part de groupes scientifiques-citoyens [7]. De fait, au-delà des modèles toujours critiquables, de nombreuses questions restent en suspend : la susceptibilité génétique (non prise en compte dans la détermination du risque radio-induit), l’hétérogénéité dans la distribution de la dose, l’interaction avec d’autres agents toxiques de nature différente (la cancérogenèse correspond à un processus qui se déroule par étapes successives), l’induction de pathologies non cancéreuses, les maladies multi-factorielles…
A l’inverse, des partisans de l’existence d’un seuil d’innocuité (en particulier dans le sérail de l’Académie de médecine) ont fait pression sur la CIPR et les pouvoirs publics pour tenter de s’opposer à la mise en application de la réduction des limites de doses proposées par la CIPR en 1990 [8]. Là n’est d’ailleurs pas la seule inquiétude puisque ces mêmes auteurs affirment que la radioprotection « représente une activité essentiellement médicale » et qu’il « apparaît indispensable que la radioprotection soit supervisée par des médecins et autres professions de santé »… Le discours est étayé par l’existence des mécanismes de réparation des lésions de l’ADN et s’appuie sur un leitmotiv : l’absence de preuve.
Une démarche scientifique voudrait pourtant que l’on considère que l’absence de preuve d’une relation causale ne constitue pas pour autant la preuve de l’absence de cette même relation. Ainsi, il peut suffire que des développements scientifiques et technologiques permettent d’élaborer de nouveaux outils d’investigation apportant des réponses nouvelles. Et c’est peut-être ce qui est en passe d’apparaître ces dix dernières années à travers l’émergence de travaux originaux d’une part autour de l’instabilité génétique et, plus récemment, autour de l’effet bystander (ou effet non cible) [9]. Ce dernier mécanisme d’action mérite que l’on y prête attention car il remet en cause le dogme de la radiobiologie selon lequel l’induction d’effets retardés (cancers, anomalies dans la descendance) est le produit de l’action directe des radiations sur l’ADN contenu dans le noyau de la cellule. De fait, des anomalies moléculaires et cellulaires (caractéristiques de l’action des radiations) s’expriment dans des cellules non atteintes par des radiations mais simplement présentes au voisinage d’une cellule irradiée (parfois même par une seule particule alpha). De façon surprenante, ce phénomène ne semble pas s’exprimer avec des doses fortes mais uniquement dans le domaine des faibles doses (celles qui concernent la radioprotection) et les auteurs s’accordent à démontrer l’existence, à ce niveau, d’une relation dose / effet supra-linéaire suggérant que le risque radio-induit serait actuellement sous-estimé dans le domaine des faibles doses [10].
Enfin, très récemment [11], une équipe de recherche est parvenue à établir la formation de lésions radio-induites spécifiques sur l’ADN à des niveaux de doses 1000 fois inférieurs à ceux habituellement utilisés (de l’ordre du Gy) pour observer ces dégâts. Plus intéressant encore, les auteurs notent que plus ils réduisent les doses délivrées, moins ces lésions génomiques sont réparables.

Si tous ces travaux devaient se confirmer, la relation linéaire sans seuil dans le domaine des faibles doses cesserait d’être une hypothèse (issue de l’extrapolation proposée par la CIPR) pour devenir une donnée établie sur des faits expérimentaux et peut-être même sous-estimée. Beaucoup de choses seront alors à reconsidérer à commencer par les fondements même de la radioprotection.

Références :
1. UNSCEAR. Sources and effects of ionizing radiations. Vol. I, 2000.

2. National Academy of Sciences : Health Effects of Exposure to Radon: BEIR VI, Committee on Health Risks of Exposure to Radon (BEIR VI), 516 pages, 1999.

3. ROMANO Elena et al. Increase of chromosomal aberrations induced by ionizing radiations in peripheral blood lymphocytes of civil aviation pilots and crew members. Mutation Research, 9, 377, 89-93, 1997.

4. Directive 97/43 Euratom du Conseil de l’union européenne. Protection sanitaire des personnes contre les rayonnements ionisants lors d’expositions à des fins médicales. J.O.C.E., L180, 9 juillet 1997.

5. IPSN. Perception des risques et de la sécurité. Préventique – Sécurité, n° 62, mars-avril 2002.

6. La Manche Libre du 03 novembre 2002.

7. Recommendations of the ECRR (European Committee on Radiation Risk): The Health Effects of Ionising Radiation Exposure at Low Doses and Low Dose Rates for Radiation Protection Purposes: Regulators’ Edition, 2003.

8. Avis de l’Académie Nationale de Médecine. Energie nucléaire et santé. 22 juin 1999.

9. LITTLE John B. Radiation-induced genomic instability and bystander effects : implications for radiation protection. Radioprotection. 37, 3, 261-282, 2002.

10. ZHOU Hongning et al. Radiation risk to low fluences of a particles may be greater than we thought. Proceeding of National Academy of Sciences. 98, 25, 14410-14415, 2001.

11. ROTHKAMM Kai et al. Evidence for a lack of DNA double-strand break repair in human cells exposed to very low X-Ray doses. Proceeding of National Academy of Sciences. A paraître en 2003.

dicodico2Autres textes du dictionnaire des risques :

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L’irradiation et la contamination

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Fiche technique parue dans l’ACROnique du nucléaire n°62 de septembre 2003

Lorsqu’on s’intéresse aux rayonnements ionisants et à leurs conséquences sur la santé, il y a deux phénomènes que l’on doit distinguer, ce sont l’irradiation et la contamination. Si le premier est spécifique d’une atteinte extérieure de l’organisme, le second fait référence à une atteinte par voie interne. Les différences entre ces deux processus viennent, d’une part, des rayonnements mis en cause, d’autre part, du type d’effets qu’ils produisent sur l’organisme. Ce sont ces points particuliers qui vont être présentés par la suite.

L’irradiation

 

Définition

L’irradiation est la conséquence directe de l’exposition externe d’un corps (inerte ou vivant) à des rayonnements ionisants (R.I.). Réalisée de façon contrôlée, l’irradiation trouve des applications dans différents secteurs tels que l’industrie agroalimentaire (assainissement et conservation des aliments) ou encore le milieu médical (radioexpositions externes lors des radiographies). Mais lorsque les conditions d’irradiation ne sont plus maîtrisées (accident de transport de source radioactive ou accident de criticité  [1] par exemple) ce phénomène prend une autre ampleur et on le considère essentiellement par rapport à ses effets au niveau biologique et physiologique généralement dus à de fortes doses de rayonnements. Pour des doses plus faibles, de l’ordre de celles induites par l’irradiation naturelle (rayonnements cosmiques, telluriques et radioactivité interne du corps humain) d’une moyenne de 2,4 millisievert par an (2,4 mSv/an, Equivalent de dose efficace), on parle plutôt d’exposition, étant donné la difficulté à établir une relation entre ces rayonnements et d’éventuels effets sur la santé. En ce qui concerne l’utilisation médicale des rayonnements ionisants, on considère que les doses reçues font partie du rayonnement artificiel tolérable c’est à dire qui peut être justifié (dose moyenne d’irradiation due aux activités humaines : 0,9 à 1 mSv/an, dont 0,7 mSv/an dus aux radio-diagnostiques).

Quels sont les rayonnements mis en cause ?

Lors des accidents par irradiation, les rayonnements électromagnétiques (photons gamma et X) sont le plus souvent impliqués, essentiellement parce qu’ils ont une grande distance de parcours dans l’air (plusieurs centaines de mètres pour les hautes énergies). De plus, possédant un certain pouvoir de pénétration, ils peuvent traverser des matériaux qui auraient arrêté les rayonnements alpha ou bêta. Ce pouvoir de pénétration peut ainsi impliquer ces rayonnements électromagnétiques dans des irradiations plus ou moins profondes de l’organisme, en fonction de leur énergie.

Comment s’en protéger ?

La première façon de se protéger des rayonnements ionisants est de s’éloigner de la source. En ce qui concerne le rayonnement alpha et les bêta d’énergie inférieure à 65 keV (Kilo electronVolt), le risque d’irradiation externe n’existe pas car ces rayonnements ne peuvent franchir la couche cornée de la peau ; ils n’irradient ainsi aucun tissu vivant. De plus, n’ayant qu’un faible parcours dans l’air, ils sont naturellement stoppés avant d’atteindre le corps, même pour des distances source-cible de quelques centimètres. Quant aux photons gamma, ils auront une probabilité d’atteindre leur cible d’autant plus faible que celle-ci sera éloignée de la source (l’intensité du rayonnement décroît selon l’inverse du carré de la distance).

La deuxième protection consiste à placer un écran entre soi et la source. Une feuille de papier suffira pour stopper les rayonnements alpha ; les particules bêta seront absorbées par quelques millimètres de verre, de plexiglas ou d’aluminium ; le rayonnement X par quelques millimètres de plomb, mais pour les photons gamma, il est nécessaire d’interposer au moins plusieurs centimètres (voire quelques dizaines de cm) de matériaux à densité élevée (plomb, béton, uranium appauvri) afin d’atténuer efficacement le rayonnement. Un exemple de ce type de protection existe dans les services hospitaliers de radiologie dans lesquels le personnel manipulant est protégé par des tabliers et des vitres de  plomb.

Quelles peuvent être les conséquences d’une irradiation ?

Les premiers effets des rayonnements ionisants (R.I.) sur la matière vivante sont dits non stochastiques ou précoces. Ils apparaissent toujours (effets obligatoires) à partir d’une dose seuil  [2] au-delà de laquelle, la gravité de l’effet est proportionnelle à la dose. Parfois, une réversibilité est possible si les lésions ne sont pas trop importantes.
Les rayonnements électromagnétiques (X et gamma) qui sont par nature peu ionisants (c’est à dire qu’ils ne délivrent pas toute leur énergie aux cellules qu’ils rencontrent) peuvent néanmoins être à l’origine de lésions relativement importantes. Ces lésions, qui dépendent de la dose reçue, dépendent également de l’étendue de l’irradiation. Parmi les victimes, on distingue ainsi généralement celles ayant subi une irradiation localisée à dose élevée de celles ayant subi une irradiation corporelle globale.

L’irradiation localisée : elle est le plus souvent due à la « prise en main » d’une source radioactive qui, suite à un égarement, est ramassée (irradiation de la main) puis mise dans une poche (irradiation de la cuisse ou de la partie du corps la plus proche).
Le premier effet visible s’apparente à une brûlure de la peau (érythème) accompagnée de nausées, puis successivement avec l’augmentation de la dose on observe une épidermite sèche (inflammation de la peau), une épidermite exsudative (suintement pathologique), jusqu’à la nécrose des tissus pour des doses extrêmement fortes (plusieurs dizaines de grays, Gy). Si dans ce dernier cas, heureusement rare et généralement observé pour des accidents de « contact », l’amputation est parfois inévitable, les traitements les plus couramment effectués s’assimilent à ceux, classiques, des brûlures du second degré.
En ce qui concerne l’observation des premiers symptômes, le temps nécessaire à leur apparition est de quelques heures dans le cas des très fortes doses, alors qu’un retard (faussement rassurant) a lieu dans la plupart des cas.

L’irradiation corporelle globale : il peut s’agir de l’exposition accidentelle à une source radioactive, mais les cas les plus flagrants, ayant permis de mieux connaître la symptomatologie, restent l’accident de Tchernobyl et les explosions atomiques japonaises.
Les signes cliniques précurseurs que sont nausées, vomissements, céphalées, douleurs parotidiennes (glandes salivaires), sécheresse buccale et diarrhées, deviennent persistants avec des doses de plus en plus fortes (4 à 6 Gy). Pour des doses dépassant 10 Gy, le pronostic vital est généralement très réduit.
Dans le cas de doses non létales, le principal problème est d’ordre hématologique. La numération régulière de la formule sanguine permet généralement de suivre la décroissance des lymphocytes (globules blancs), suivie après plusieurs jours, de la chute des plaquettes, entre autres. Des aberrations chromosomiques peuvent également être observées par l’intermédiaire d’un caryotype réalisé à partir des lymphocytes, leur nombre étant fonction de la dose.

Cette étude des effets biologiques des R.I., appelée dosimétrie biologique, qui cherche à préciser les conditions d’irradiation (dose reçue et volume réellement irradié, notamment vis-à-vis de la protection de la moelle osseuse), constitue un examen d’autant plus important que la personne irradiée ne portait pas de dosimètre.

Les traitements appliqués pour des doses reçues ne permettant pas la réversibilité spontanée de la chute des lymphocytes par exemple sont généralement des transfusions de plaquettes ou de leucocytes  [3]. L’utilisation de facteurs de croissance hématopoïétiques peut aider au redémarrage des cellules de moelle osseuse et dans certains cas, des greffes de moelle peuvent être pratiquées.

Ceci nous amène donc à classer certains tissus en fonction de leur sensibilité vis-à-vis des rayonnements ionisants. D’une manière générale, les tissus à renouvellement rapide (divisions cellulaires nombreuses) sont les plus sensibles aux radiations et les effets produits sont alors précoces. Sont classés selon leur radiosensibilité décroissante les tissus suivants :

  • les tissus embryonnaires
  • les organes hématopoïétiques [4]
  • les gonades
  • l’épiderme
  • la muqueuse intestinale
  • le tissu conjonctif
  • le tissu musculaire
  • le tissu nerveux
 + radiosensibles
triangle
– radiosensibles

Au niveau des gonades, des stérilités temporaires ou permanentes à partir de certaines doses peuvent être observées. Chez l’embryon ou le fœtus, c’est le stade du développement qui conditionne les effets, à savoir que la radiosensibilité est maximale entre le 9ème et le 60ème jour. Les conséquences possibles sont la mort intra-utérine, l’apparition de malformations ou encore la mort néo-natale et post-natale. Passé le 60ème jour (croissance fœtale), ce sont des malformations nerveuses ou encore des cancers qui peuvent être ainsi induits.Après avoir vu les effets précoces d’une irradiation sur l’organisme, il convient de s’arrêter sur un deuxième type d’effets qui sont appelés stochastiques ou aléatoires. Ces effets se manifestent longtemps après l’irradiation (plusieurs années) et peuvent être causés soit par une irradiation aiguë soit par une exposition chronique à de faibles doses d’irradiation. Leur apparition chez un individu est d’autant moins probable que le niveau d’irradiation est faible, aussi n’apparaissent-ils pas systématiquement chez toutes les personnes irradiées.
Parmi ces effets, les cancers représentent certainement les conséquences les plus importantes de l’action des rayonnements ionisants et, dans une moindre mesure, l’apparition d’anomalies génétiques. Ces dernières résultent des lésions induites sur les chromosomes (ADN) de la lignée germinale (irradiation des gonades) pouvant entraîner des anomalies dans la descendance de l’individu irradié. Lorsque la molécule d’ADN est touchée, ceci engendre généralement des mutations qui peuvent apparaître dans les cellules-filles lors de la division cellulaire. Toutefois, il existe certains agents de protection comme les vitamines E et C, ainsi que des mécanismes de réparation de l’ADN, de même qu’il existe des systèmes de réparation cellulaire et tissulaire.En ce qui concerne le risque de développer un cancer ou d’être touché par une mutation génétique suite à une irradiation, celui-ci reste très délicat à évaluer, d’autant qu’il n’y a aucune forme de cancer spécifique des rayonnements ionisants et que l’étude de l’effet des faibles doses est loin d’être achevée.

La contamination

Définition

Comme l’irradiation, la contamination n’est pas un terme spécifique au corps humain et s’applique également à l’environnement : 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 (poussières) 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

Une fois le dépôt effectué, la deuxième étape de la contamination correspond au transit du contaminant, depuis l’entrée (poumons, plaie, tube digestif) vers le sang. On comprend alors que les deux premières voies d’entrée sont les plus dangereuses et le plus souvent impliquées dans les accidents de contamination (importante vascularisation des bronchioles).
Vient ensuite l’intégration du contaminant dans le métabolisme : l’organisme va l’utiliser dans différents organes, dits critiques, de la même manière que ses homologues non radioactifs. Par exemple, la thyroïde fixe indifféremment l’iode stable ou l’iode radioactif. Parfois, c’est un autre élément qui est fixé à cause de la similitude de ses propriétés. C’est le cas du squelette qui fixe le strontium de la même manière que le calcium. On dit alors que le strontium est un mimétique du calcium. Parfois encore, il n’y a pas d’organe cible et l’élément diffuse dans tout le corps : c’est le cas du césium qui peut être fixé préférentiellement au potassium et se retrouver dans tous les muscles.

Lorsque la quantité de radionucléides incorporée est importante, on se comporte alors comme une véritable source et on émet des rayonnements sur notre entourage.

D’une manière générale, les accidents de contamination radioactive sont dus à une contamination préalable de l’environnement : habitations, sols et aliments comme dans les régions autour de Tchernobyl (Ukraine et Bélarus) ou au Brésil (Goiania-1987) où une source de radiothérapie de 50 TBq de césium 137 a été dispersée et a contaminé l’environnement et 100 000 personnes.

Irradiation interne

L’irradiation interne accompagne souvent la contamination et ce, à cause des corps radioactifs ingérés ou inhalés qui irradient de l’intérieur les organes sur lesquels ils se sont temporairement fixés. L’irradiation des tissus, qu’elle soit interne ou externe, produit le même type d’effets. En revanche, les rayonnements considérés comme les plus dangereux, ne sont plus les X et les gamma, mais les rayonnements dits particulaires. Les rayonnements particulaires (alpha et bêta) possèdent un pouvoir d’ionisation (Transfert d’Energie Linéique) plus élevé que celui des rayonnements électromagnétiques, aussi délivrent-ils de façon certaine toute leur énergie dans la matière qu’ils rencontrent et qui les arrête. En dosimétrie, la dose équivalente H (en Sievert, Sv) dépend directement de la nature du rayonnement puisque son calcul consiste en la multiplication de la dose absorbée (en Gray, Gy) par un facteur de pondération (Wr) caractéristique du rayonnement :

H(Sv) = D(Gy) * Wr

Wr est égal à 1 pour les bêta, gamma et X, alors qu’il est de 20 pour les alphas. Cela signifie que, pour une même énergie, le rayonnement  a est 20 fois plus radiotoxique que les autres.

Par exemple, dans le cas des isotopes gazeux du radon (radon 222 et radon 220), inhalés avec l’air ambiant, ce sont surtout les descendants, émetteurs alpha à vie courte (polonium 218, polonium 214 et bismuth 212), qui vont causer des dégâts aux cellules et qui peuvent, à terme, être la cause du développement d’un cancer du poumon. On estime les doses annuelles moyennes dues à l’inhalation des radon 222 et radon 220 et à leurs descendants à 60 et 10 µSv respectivement.

Conséquences

En ce qui concerne l’irradiation interne, les conséquences sont du même type que lors d’une irradiation externe, c’est-à-dire qu’il peut y avoir des effets au niveau cellulaire, tissulaire ou génétique. Ils peuvent se déclarer rapidement ou tardivement (cancérogènes), essentiellement en fonction de la dose et, mis à part dans les cas extrêmes comme à Goiania en 1987, on meurt rarement des suites d’une incorporation de radionucléides.
La différence avec l’irradiation réside dans la localisation des effets. En cas de contamination interne, il est possible de connaître la zone touchée si l’on connaît le radionucléide incorporé (fixation préférentielle). Les dégâts seront alors souvent localisés, au niveau d’un organe ou des tissus voisins. Enfin, à la différence de l’irradiation externe, souvent de courte durée, une contamination entraîne généralement une irradiation interne des tissus pendant un temps beaucoup plus long. Ce temps sera déterminé entre autres par deux facteurs : la période physique et la période biologique de l’élément incorporé (cf § suivant).

A la différence d’une source radioactive qui se trouve à distance d’un corps et contre les rayonnements de laquelle on peut se protéger, on voit qu’en cas de contamination interne, aucune protection n’est possible, puisqu’on est porteur de la source. Il existe pourtant des moyens de faire diminuer cette contamination, en éliminant directement la source qui continue d’émettre. Ces processus de décontamination n‘ont qu’une efficacité limitée, surtout devant des accidents de grande ampleur.

Décontamination

Lorsque la contamination est externe, on procède par lavages successifs de la zone touchée mais plus généralement du corps entier (douches). Si des poussières sont en cause, des adhésifs sont parfois utilisés pour récupérer les contaminants, dans les deux cas, les eaux de lavage comme les produits utilisés doivent être gérés comme des déchets radioactifs.
Lorsque la contamination est interne, le but est de faire migrer les particules radioactives vers les voies d’élimination naturelles. L’efficacité des traitements va surtout dépendre de la précocité de l’intervention mais également des propriétés du contaminant.
On sait que chaque radionucléide se désintègre au cours d’un période radioactive qui lui est propre. Beaucoup d’entre eux ont des périodes trop longues pour ne compter que sur le temps pour que l’activité disparaisse. De plus, dans le corps humain, chaque radionucléide possède une période biologique  [5]. Par la combinaison de ces deux facteurs (période physique et biologique), on peut définir la période effective, comme le temps au bout duquel la quantité de contaminant dans l’organisme est divisée par deux. Te = (Tb*Tp)/(Tb+Tp)

Te : période effective ; Tb : période biologique ; Tp : période physique.

Exemples :

période radioactive période biologique période effective
iode 131
8 jours
30 jours (thyroïde)
6,3 jours
plutonium 239
24000 ans
100 ans (os)
~100 ans

Dans le cas particulier de la médecine nucléaire où des sources de radionucléides sont injectées à des patients après l’intervention, on cherche à forcer l’élimination par les voies naturelles. Ainsi, après une scintigraphie thyroïdienne pour laquelle on aura reçu 20 MBq de Technétium 99m, il faudra boire beaucoup d’eau pour que l’élimination par les voies urinaires soit la plus rapide possible. On limitera également le temps de contact avec l’entourage, pendant lequel on peut représenter un danger, surtout auprès des enfants.Enfin, on peut noter l’existence, pour certains radionucléides particuliers, de traitements médicaux plus poussés, dont le principe est de déloger le radionucléide de l’emplacement où il s’est fixé : on nomme ceci la décorporation. On peut citer par exemple comme agent décorporant, le Bleu de Prusse, qui a été utilisé suite à l’accident de Goiania au Brésil en 1987 et qui a permis d’éliminer notablement le césium des personnes contaminées.GLOSSAIRE :

  • Activité : Nombre de transformations nucléaires spontanées qui se produisent dans une quantité d’un radionucléide pendant, un certain temps. Dans le système international, l’unité d’activité d’une source radioactive est le  becquerel (unité standard de mesure de la radioactivité équivalent à une désintégration par seconde).
  • Dose absorbée : Quantité d’énergie absorbée par la matière vivante ou inerte et par unité de masse. L’unité de dose absorbée est le gray : dose absorbée dans une masse de matière de 1 kilogramme à laquelle les rayonnements ionisants communiquent en moyenne, de façon uniforme, une énergie de 1 joule.
  • Dose efficace : Pour les besoins de la radioprotection on définit une grandeur appelée dose efficace qui essaie de tenir compte, chez l’homme, des dommages radiologiques occasionnés. Une même dose de rayonnement ne provoque pas les mêmes dommages suivant qu’il s’agit d’irradiation ou de contamination, suivant le type de rayonnement (alpha, bêta ou gamma) et enfin suivant la nature des tissus touchés. L’unité est le sievert (pour les rayonnements gamma et beta, Wr =1) ; La réglementation européenne fixe une limite annuelle d’exposition de 1mSv/an pour le public ; cette limite a été transposée en droit national en mars 2001.
[1]  Criticité : conditions dans lesquelles un système est capable d’entretenir une réaction en chaîne.
[2] 0.7 sievert délivrés en une seule fois : dose seuil au-delà de laquelle l’apparition d’un effet précoce est certaine.
[3] Leucocytes : terme général désignant les globules blancs, parmi lesquels on trouve les lymphocytes.
[4] A l’origine des cellules sanguines.
[5] Temps au bout duquel l’organisme élimine la moitié de la radioactivité incorporée.

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Notions de base de radioactivité

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Notions de base de radioactivité (extrait de l’ACROnique du nucléaire n°37, juin 1997)

L’atome

Toute la matière qui nous entoure est constituée d’atomes, élément de base de petite taille (de l’ordre de l’Angström ou 0,000 000 000 1 m) qui permet de construire notre univers. On compte 92 atomes naturels ayant chacun des propriétés qui leurs sont propres. Ces atomes peuvent se combiner entre eux, reliés par les liaisons chimiques de diverses natures.

noyau

Chaque atome est constitué d’un noyau autour duquel il y a un nuage d’électrons. Le noyau est chargé positivement et les électrons négativement, de façon à ce que l’ensemble soit neutre. Le noyau est environ 100.000 fois plus petit que l’atome et regroupe pratiquement toute la masse. C’est le cortège d’électrons qui va donner à l’atome ses propriétés chimiques, à savoir sa capacité à se lier à d’autres atomes pour former des structures complexes. On a l’habitude de dire que les électrons “gravitent” autour du noyau, il s’agit là d’une image qui a ses limites. Une description précise nécessite la mécanique quantique.

Chaque atome peut être caractérisé par son nombre d’électrons et à chaque nombre, on associe un nom. Ainsi un atome avec un noyau possédant une charge positive et autour duquel il y a un électron est appelé hydrogène et est représenté par le symbole H. Pour deux charges, il s’agit de l’hélium (He) et ainsi de suite jusqu’à l’uranium, qui a 92 charges. Au-delà, il existe d’autres atomes qui ont été créés par l’homme et que l’on nomme artificiel. Le plutonium, avec 94 charges, en est un exemple.

Il y a donc une correspondance entre le nombre de charges et les propriétés des atomes. L’hydrogène a tendance à pouvoir se lier avec l’oxygène pour former de l’eau, alors que l’hélium ne se lie pas avec d’autres atomes.

Si on arrache un ou plusieurs électrons à un atome ou si on lui en rajoute, on obtient un corps chargé positivement ou négativement, suivant le cas. On l’appelle alors un ion. Ses propriétés chimiques sont modifiées.

Le noyau

Le noyau possède un nombre donné de charges positives qui permet de lui donner le nom de l’atome correspondant. Les particules qui donnent la charge au noyau sont appelées proton. Chaque proton porte une charge positive élémentaire. Le noyau d’hydrogène est constitué d’un proton, celui d’hélium, de deux protons… A ces particules, s’ajoutent des particules neutres appelées neutrons.

Ensembles, les protons et les neutrons, de masse et taille semblables, forment la masse du noyau. On appelle nucléons, les particules du noyau, qui peuvent être indifféremment un proton ou un neutron. Un noyau est donc caractérisé par deux nombres, le nombre de protons, appelé généralement Z et le nombre total de nucléons appelé A. Z donne donc le nombre de charges et donc permet d’identifier l’atome correspondant. Deux noyaux qui ont le même nombre de charges et qui correspondent donc au même atome, mais qui ont un nombre de nucléons (et donc de neutrons) différents, sont appelés isotopes.

Exemple : un atome constitué de 6 électrons et donc 6 protons (Z=6) est appelé carbone. Mais on trouve dans la nature, du carbone ayant 6 ou 8 neutrons, ce qui fait un nombre total de 12 ou 14 nucléons (A=12 ou 14). Si on veut préciser de quel isotope on veut parler, on dira carbone 12 (noté  12C) ou carbone 14 (noté  14C).

Dans la nature, le nombre de neutrons est généralement au moins égal au nombre de protons. Il est possible de fabriquer des noyaux trop riches ou déficients en neutrons, qui vont se désintégrer en un autre noyau. Cette désintégration s’accompagne d’un rayonnement, on parle donc alors de noyau, isotope ou élément radioactif. Si le noyau ne se désintègre pas spontanément, on parle d’élément stable.

Les protons et les neutrons sont eux aussi constitués d’une structure interne, ils sont constitués de quarks. Mais nous arrêterons là pour la description de l’infiniment petit.

La radioactivité

La radioactivité accompagne une transformation du noyau de l’atome. Avant la transformation, on parle de noyau père, après, de noyau fils. Il peut y avoir plusieurs transformations successives avant d’arriver à un noyau stable. On parle alors de chaîne de désintégration. Lors d’un désintégration, il y a émission d’un ou plusieurs types de rayonnements.

On observe trois types de rayonnements émis :

Rayonnement alpha :

alphaC’est une particule composée de deux protons et de deux neutrons extrêmement liés entre eux (noyau d’hélium) et animée d’une grande vitesse. L’émission alpha (α) ne concerne que les noyaux lourds présentant un excès de protons (en général A>200). Le noyau fils possède donc deux protons et deux neutrons en moins. Exemple, la désintégration du radium en radon :
226Ra -> 222Rn +α
Le rayonnement alpha étant constitué d’une particule lourde, il est très peu pénétrant, une simple feuille de papier peut l’arrêter.

betaRayonnement bêta :

C’est une particule, électron (β-) ou positron (β+), animée d’une grande vitesse. Il accompagne la transformation d’un neutron en proton (β-), ou d’un proton en neutron (β+). Exemple, la désintégration du tritium en hélium :  3H -> 3He + β. L’électron ou le positron étant des particules légères, le rayonnement β est beaucoup plus pénétrant. Comme les particules sont chargées, elles interagissent facilement avec la matière. Il faut une feuille métallique de quelques cm d’épaisseur pour arrêter ce rayonnement.

Rayonnement gammA :

C’est un rayonnement électromagnétique analogue à celui de la lumière mais beaucoup plus énergétique. On parle de photons gamma (γ). Leur émission suit généralement une désintégration alpha ou bêta et correspond à un réarrangement des nucléons à l’intérieur du noyau fraichement transformé.gamma

Le photon étant une particule sans masse, elle est très pénétrante et n’étant pas chargée, elle interagit peu avec la matière. Il faut une épaisseur de béton de plusieurs dizaines de cm pour l’atténuer.

La désintégration des noyaux suit une loi exponentielle décroissante en fonction du temps. Au bout d’un certain temps, appelé période ou demi-vie (T1/2), la quantité d’un radio-élément donné est divisée par deux. Au bout de deux période, il n’en restera plus d’un quart, après trois périodes, un huitième, après 10 périodes, un millième… Sachant que les périodes observées en fonction des atomes étudiés vont de temps infiniment cours aux millions d’années, c’est une grandeur indispensable pour appréhender les problèmes de radioactivité.

periode

L’activité d’un radioélément correspond au nombre de noyaux qui se désintègrent par unité de temps. L’unité de mesure est le becquerel (Bq) et correspond à une désintégration par seconde. L’ancienne unité est le curie (Ci). Un curie correspond à l’activité d’un gramme de radium et vaut 37 000 000 000 Bq.

Effets des rayonnements sur la matière et sur l’Homme

Les effets des rayonnements sur la matière sont très compliqués car ils dépendent du rayonnement étudié et du matériau concerné. Comme il est impossible de formaliser ces interactions rayonnement-matière au cas par cas, on étudie généralement l’énergie déposée dans le matériau pour quantifier. On parle alors de dose absorbée. On défini donc le gray (Gy) comme une unité d’énergie (joule) déposée par kilogramme de matière : 1Gy = 1J/kg. Plus l’énergie déposée est grande, plus le rayonnement a interagi avec la matière. Le rad correspond à l’ancienne unité : 1 Gy = 100 rad.

Quand la matière sous rayonnement est composée de tissus humains, on essaye de tenir compte de la nature du rayonnement en fonction des dommages probables qu’il peut créer. On affecte un coefficient multiplicatif WR qui dépend de la nature du rayonnement et qui tient compte de la différence irradiation/contamination. Par exemple, dans le cas d’une contamination, WR est choisi égal à 1 pour les rayonnements gamma et à 10 pour les rayonnements alpha. On parle alors d’équivalent de dose absorbée et l’unité est le sievert (Sv) : 1Sv = 1Gy*k. L’ancienne unité était le rem : 1Sv = 100rem.

Ensuite, pour considérer le détriment global des rayonnements sur le corps entier, on pondère à nouveau par un second facteur (WT) prenant en compte la sensibilité du ou des tissu(s) ou organe(s) touché(s). On parle alors de dose efficace ; son unité de mesure est également le sievert (Sv).

Pour en savoir plus sur le sujet, nous vous renvoyons au dossier que nous avons déjà consacré aux rayonnements et la santé (numéros de l’ACROnique du nucléaire).

Il est clair que la mesure directe de la dose ou de l’équivalent de dose est très difficile. On a donc recours à des approximations.

Récapitulatif des grandeurs et unités

GRANDEURS UNITES EQUIVALENCES DEFINITIONS
L’ACTIVITE
Becquerel
(Bq) 

Curie

(Ci)
1 Bq = 27.10-12 Ci  =  27 pCi
1 Ci = 37 109 Bq		 Connaître l’activité d’une matière
radioactive revient à déterminer le nombre de radionucléides
de la dite substance qui ce désintègre par unité de
temps. 

L’ancienne unité était le Curie (symbole
Ci) c’est à dire le nombre de désintégration par seconde
dans un gramme de radium 226, soit 37 milliards.
DOSE ABSORBE
Gray
(Gy)

Rad

(rad)
Gy = 1 joule / kg
= 100 rad

1 rad = 0,01 Gy

 

 

 Quantité d’énergie absorbée par
la matière vivante ou inerte et par unité de masse. La conversion
du Bq au Gy n’est pas directe car la désintégration d’un
atome de césium ou d’iode ne libère pas la même énergie
et tous les rayonnements ne sont pas forcément absorbés.

L’ancienne unité était le Rad
 DOSE EQUIVALENTEDOSE EFFICACE
Sievert
(Sv)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rem

(rem)
1 Sv = Gray * k
= 100 rems

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 rem = 0,01 Sv

 

 

 La dose équivalente essaye de tenir compte chez
l’homme des dommages radiologiques occasionnés. Une même dose
de rayonnement ne provoque pas les mêmes dommages, suivant qu’il
s’agit d’irradiation ou de contamination, de rayonnement alpha, bêta ou gamma et suivant la nature des tissus touchés. Pour exprimer ces différences d’effets biologiques, des coefficients sont
affectés par le législateur aux rayonnements puis en fonction des tissus touchés (dose efficace). Par exemple,
en contamination, la dose en gray est multipliée par 1 s’il s’agit
de rayons gamma.

L’ancienne unité était le Rem

Lire aussi

Tables et caractéristiques des éléments

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La spectrométrie gamma

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Fiche technique extraite de l’ACROnique du nucléaire n°32, mars 1996

Depuis la parution du premier ACROnique, l’ACRO réserve la ou les dernières pages de son trimestriel à la diffusion de tous ses résultats. Ces chiffres sont les résultats d’analyses réalisées dans son laboratoire à l’aide d’une chaîne de spectrométrie gamma.
L’intérêt de ce matériel est de pouvoir identifier et quantifier les corps radioactifs (émetteurs gamma) et en particulier de pouvoir distinguer la radioactivité artificielle de la naturelle, ce qui n’est pas possible avec un simple compteur (type geiger).

Le rayonnement gamma

Le rayonnement issu d’un radio-élément peut-être de différentes natures : on parle d’émission alpha, bêta, X ou gamma (Voir notre article sur Notions de base de radioactivité). Le rayonnement gamma, qui suit généralement une émission alpha ou bêta, est issu du noyau de l’atome et correspond à une désexcitation de ce dernier. En effet, après une désintégration alpha ou bêta, le nouveau noyau n’est pas toujours dans un état d’équilibre énergétique : il possède encore “un trop plein d’énergie”, on dit qu’il est excité. Pour se débarrasser de cet excédent, il va émettre un ou plusieurs rayonnements gamma d’énergie déterminée et caractéristique du noyau et donc de l’atome en présence. c’est en quelque sorte la signature du radioélément.

Le rayonnement gamma est un rayonnement analogue à celui de la lumière, mais beaucoup plus énergétique. On appelle “photon” la particule associée à ce rayonnement.

La spectrométrie gamma

D’où l’idée que si l’on dispose d’un appareil qui permet d’une part de mesurer exactement l’énergie des photons gamma émis et d’autres part d’en comptabiliser le nombre pendant une certaine durée, on peut alors identifier les radioéléments présents et déterminer leur activité. Cet appareil d’analyse n’est autre qu’un spectromètre gamma.

Qu’est ce que le détecteur ?

Mais voilà, on dit que les rayonnements sont imperceptibles, qu’on ne peut pas les toucher, les voir, les sentir ; ce qui est vrai pour l’homme, l’est aussi pour l’électronique associée à la chaîne de mesure qui gère les informations. Pour assurer la détection, il faut avoir recours à un organe intermédiaire qui va transformer les rayonnements en une grandeur (en l’occurence une tension électrique) directement exploitable par l’électronique associée à la chaîne de mesure.

Que se passe-t-il quand un photon gamma pénètre dans le détecteur ?

– Soit il se ballade sans laisser la moindre trace de son passage et il nâest pas détecté. (N’oublions pas qu’à l’échelle d’un photon la matière peut-être assimilée à une “passoire”.)
– Soit il y a interaction du photon avec les atomes constituant le cristal de germanium et la détection devient possible, elle repose alors sur les effets engendrés par le rayonnement gamma sur la matière et est optimale pour un effet donné (appelé effet photoélectrique).

Les spectres ?

L’analyse d’un échantillon par spectrométrie gamma donne naissance à un spectre : histogramme du nombre de photons détectés en fonction de leur énergie. Le spectre est caractérisé par un fond continu (bruit de fond) décroissant avec l’énergie et par la présence de plusieurs pics (voir ci-dessous). Chaque pic correspond à un rayonnement gamma issu de la désexcitation des noyaux instables ou atome radioactif présent dans l’échantillon.

Et les pics ?

1°) Par la position des pics (ou énergie des photons), on entreprend l’analyse qualitative du spectre : on détermine les radioéléments présents dans l’échantillon analysé.

2°) Par la surface des pics (ou nombre d’impulsions), on entreprend l’analyse quantitative du spectre : on détermine pour chaque radioélément (présent dans l’échantillon) son activité en becquerels ramenée à la masse ou au volume de l’échantillon (Bq/kg sec ou Bq/L).

Et la durée de comptage ?

La désintégration d’un noyau par l’émission d’un photon gamma est un phénomène spontané. S’il est possible de prévoir le comportement d’un grand nombre de radioéléments dans le temps, estimation de l’activité, en revanche il est impossible de dire exactement à quel moment un noyau va se désintégrer. Cette particularité, impose de faire des mesures sur un temps suffisamment grand pour gommer les irrégularités et obtenir un résultat d’activité le plus exact possible.

A titre d’exemple, les analyses d’échantillon de l’environnement réalisées au laboratoire de l’A.C.R.O., nécessite des temps de comptage allant de 15 heures à 3 jours.

spectre

Lire aussi

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Les rayonnements et la santé

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Extrait de l’ACROnique du nucléaire n°27, décembre 1994

INTRODUCTION

Pour beaucoup de gens, les problèmes économiques semblent être fondamentaux pour juger de l’acceptabilité de l’énergie nucléaire. En réalité, ces problèmes devraient être secondaires. Il faut (il aurait fallu) partir de cette question : Quels sont les dangers de l’énergie nucléaire?
C’est le problème de l’acceptabilité qui est posé.

– Si le danger est nul ou très faible, on peut adopter l’énergie nucléaire, et les aspects économiques concernant la rentabilité ou la compétitivité vis à vis des autres sources d’énergie sont essentiels. Le problème de l’acceptabilité ne se pose pas.

– Par contre, si le danger est considérable, c’est à dire s’il affecte des populations entières, des millions de personnes pendant une période très longue (par exemple les déchets, les radioéléments relâchés en Biélorussie qui, pendant quelques siècles vont polluer les terres agricoles et endommager le patrimoine génétique), alors, les problèmes économiques n’ont guère de sens en ce qui concerne l’acceptabilité.

Il faut d’abord envisager les coûts sanitaires avant les coûts économiques. Le coût économique du réacteur détruit à Tchernobyl était acceptable pour l’URSS mais évacuer toutes les personnes qui vivaient en zone contaminée s’est révélé impossible financièrement. De même la perte des terres agricoles qui représentent 20% du territoire de Biélorussie ne peut être assumée économiquement par cette République. Qui va supporter les coûts? les populations. Il est évident que le coût économique tel qu’on le présente généralement masque le vrai problème du nucléaire. Les dangers proviennent essentiellement des effets biologiques du rayonnement: effets cancérigènes et effets génétiques.

Après quelques notions de base sur l’irradiation, la contamination, la concentration organique des radioéléments et leur action biologique, nous vous présenterons 2 exemples de conséquences des radiations sur la santé: les leucémies à Sellafield et la pathologie thyroïdienne radio-induite.

Tout d’abord, que sont les rayonnements ionisants ?

Ils comprennent les rayonnements alpha, bêta et gamma de la radioactivité, les neutrons éjectés lors de
réactions atomiques, les faisceaux d’électrons réalisés dans un accélérateur de particules et, dans un autre domaine, la frange la plus énergétique des rayons x appelés les rayons x “durs”, produit dans un tube cathodique et utilisés en radiologie médicale. Il s’agit donc d’une famille de rayonnements définis ni par leur provenance, ni par leur nature, mais par leurs effets sur la matière.

Le terme de rayonnement ionisant signifie précisément rayonnement capable d’ioniser, ce qui signifie qu’il contient suffisamment d’énergie pour déplacer des électrons dans la matière où il se déplace. Ainsi, par perte ou par gain d’électrons, il transforme des atomes (neutres), en ions (chargés électriquement).
Un ion ainsi créé aura des caractéristiques légèrement différentes de celles de l’atome de départ, et cette modification peut être suffisante pour changer son comportement chimique vis à vis des autres atomes.

I L’IRRADIATION

Définition

L’irradiation est le fait de recevoir des rayons d’une source qui les émet autour d’elle. Ce qui caractérise une source radioactive est qu’il est impossible de l’arrêter. Il n’y a donc que deux manières
de se protéger de ce type de source:

  • La première consiste à placer un écran entre soi et la source pour absorber les rayonnements. C’est très efficace en ce qui concerne les rayonnements alpha et bêta qui peuvent facilement
    être arrêtés complètement. Les rayonnements gamma, en revanche, ne sont jamais arrêtés en totalité. Il
    faut placer un écran de plomb épais ou de béton de largeur considérable pour en arrêter la plus grande partie.
    Mais il en reste toujours un peu au-delà de l’écran. C’est pourquoi, en irradiation externe, les rayons gamma sont les plus dangereux.(Pour mémoire relire Notions de Base )
  • La deuxième manière de se protéger est d’augmenter la distance entre soi et la source. Comme la source irradie dans toutes les directions, l’intensité du rayonnement décroît selon l’inverse du carré de la distance.

Effets des irradiations

L’irradiation touche en général le corps entier. C’est le phénomène le mieux étudié. Ses conséquences sont bien connues en ce qui concerne les fortes doses. Elles peuvent être rapidement mortelles si elles se comptent en dizaine de sievert. Pour les faibles doses, la fréquence des cancers et des malformations en fonction de la dose reçue est encore discutée.  Mais, ce qui est sûr, c’est que même si l’irradiation est totalement terminée, elle peut laisser des traces dans l’ADN (acide désoxyribonucléique) des cellules qui pourront se manifester sous forme de cancer jusqu’à plusieurs dizaine d’années après cette irradiation, ou de malformation d’origine génétique dans les générations suivantes.

Au cours d’une irradiation, on peut mesurer la dose reçue si l’on dispose d’un dosimètre. Mais, une fois l’irradiation terminée, il n’est pas toujours possible de mettre en évidence une irradiation passée. Ainsi, lors d’accidents d’irradiation, les informations déduites des analyses biologiques sont imprécises et les systèmes de modélisation ne sont pas toujours réalisables en pratique.

Par ailleurs, dans de nombreuses autres situations (source inconnue, irradiation chronique, irradiation ancienne non mesurée, etc.), il est évident qu’aucun moyen n’est possible pour quantifier les doses reçues. C’est pourquoi, du fait des temps de latence fort longs, il est souvent impossible de mettre en relation l’apparition d’un cancer ou d’une malformation chez un individu avec une irradiation passée.
Cela n’a été possible qu’à l’échelle collective, de façon statistique, par exemple à l’occasion de “l’expérience grandeur nature” qu’ont représenté les explosions d’HIROSHIMA et NAGASAKI.

Certains tissus de l’organisme sont particulièrement sensibles à l’irradiation; ce sont ceux qui se renouvellent le plus vite, donc, où les divisions cellulaires sont les plus nombreuses. Il s’agit des cellules qui, dans la moelle osseuse, donneront naissance aux cellules sanguines, ou de la muqueuse de l’intestin, par exemple. Il s’agit aussi des cellules sexuelles. Chez l’homme, les cellules souches des spermatozoïdes (qui se forment en près de 2 mois et demi) sont extrêmement radio sensibles. Chez la femme, il n’y a pas de production de nouvelles cellules sexuelles. Celles qui pourront donner des enfants à naître sont toutes présentes dans l’ovaire, à l’état d’ovocytes, depuis le cinquième mois de la vie embryonnaire de la femme. S’il n’y a pas de division cellulaire des cellules sexuelles chez la femme, il faut cependant les considérer comme hautement fragiles, car tous les toxiques susceptibles d’atteindre l’ADN s’additionneront sur la même cellule depuis avant la naissance de la femme jusqu’à l’âge d’une éventuelle grossesse. Les testicules, et tout particulièrement les ovaires, doivent donc être considérés comme des organes à protéger, en priorité, de toute irradiation par des rayonnements ionisants. Cela implique par exemple l’utilisation de caches en plomb placés entre la source et ces organes lors d’irradiations, en radiologie médicale, chaque fois qu’il n’est pas strictement indispensable de voir sur la radio la région de ces organes.

De même, il est nécessaire de veiller à la protection du personnel des hôpitaux contre l’irradiation, d’autant plus qu’il s’agit souvent de femmes jeunes. Il existe des vitres plombées dans les services de radiologie et des tabliers de plomb pour les cas où l’on est obligé de s’approcher de la source. Bien évidemment, le problème se pose également pour les travailleurs du nucléaire.

II LA CONTAMINATION

Définition

La contamination consiste à entrer en contact avec des particules radioactives. On devient alors porteur de la source qui émet ses rayonnements à partir de l’endroit du corps où elle se trouve. Elle peut se situer à la surface du corps, sur la peau; on parle alors de contamination externe. Elle peut se situer à l’intérieur du corps. La particule radioactive pénètre – soit par l’air, dans les poumons – soit par le tube digestif – soit par une plaie. Elle peut ensuite être transportée par le sang jusqu’à tous les organes. Lorsque la source se trouve à l’intérieur du corps on parle de contamination interne. La source continue évidemment à émettre ses rayonnements qui sont reçus en permanence par les tissus environnants. C’est pourquoi certains parlent d’irradiation interne. C’est exact, mais nous pensons que ce terme entretient la confusion entre irradiation et contamination.

La contamination reste en effet très différente de l’irradiation et ceci pour plusieurs raisons:

Tout d’abord les moyens de s’en protéger n’existent pas. On ne peut glisser un écran de plomb à l’intérieur de l’organisme!

Les rayonnements alpha provoquent de nombreuses ionisations dans les tissus voisins et sont alors les plus dangereux. Les rayonnements bêta ont un parcours un peu plus long mais ils transmettent également leur énergie sous forme d’ionisation dans les tissus du corps. Les rayonnements gamma produisent aussi des ionisations, mais ils ne sont pas totalement arrêtés et irradient à l’extérieur du corps. La personne fortement contaminée devient une source d’irradiation pour les autres.

Nous avions vu que la deuxième façon de limiter l’irradiation était de s’éloigner. Si l’on est contaminé; c’est impossible on est porteur de la source. Si la contamination est faible, l’irradiation qu’elle provoque pour les autres est extrêmement faible.
De même la dose reçue par l’ensemble du corps de  la personne contaminée peut être vraiment très faible. Mais, en fait, les effets biologiques sont à étudier à l’échelle des tissus voisins de la source, immédiatement en contact avec elle.

Par ailleurs, à dose globale équivalente, un rayonnement reçu au quotidien semble plus dangereux qu’un flash d’irradiation en ce qui concerne  l’accumulation des lésions cellulaires.
Ces réalités ne sont pas toujours prises en compte dans les discours officiels.

La deuxième grande différence avec l’irradiation externe est que le phénomène reste actif dans le temps. La source continue d’émettre et de provoquer des ionisations autour d’elle.
Une source très faible peut ainsi provoquer des effets importants au bout d’un certain temps. Bien sûr, s’ajoutera ensuite un temps de latence avant l’apparition d’un cancer, par exemple. Pour se protéger, on parle beaucoup de décontamination. Nous allons voir que les résultats que l’on peut en attendre sont souvent très limités. Enfin la notion d’organe cible en contamination mérite que l’on s’y arrête.

La décontamination

La décontamination est un mot qui fait rêver: c’est tout simplement supprimer la contamination. Il s’agit en fait, le plus souvent, de méthodes artisanales et limitées qui ne sont efficaces que dans un nombre restreint de cas et devant des accidents de faible ampleur. Puisque l’on ne peut pas arrêter une source radioactive, l’objectif de la décontamination est de retirer la source de la zone contaminée. Si la contamination est externe c’est possible par lavage, par exemple ou en collant les poussières
à l’aide d’un papier adhésif. Mais il faut savoir que l’eau de lavage ou les autres produits utilisés deviennent alors des déchets radioactifs à gérer comme tels. Si une petite région du corps est contaminée les résultats de ces techniques sont très intéressants, mais, s’il y a une contamination de l’environnement on est très vite dépassé par l’ampleur. Autour de TCHERNOBYL, il s’agissait de décontaminer non seulement les humains mais aussi les maisons, les champs, les arbres… On a lavé des maisons à la lance, mais toute l’eau de lavage aurait du être gérée comme déchet radioactif: c’était impossible.
Dans la campagne, on a déversé par hélicoptère des aérosols collants pour fixer les particules radioactives au sol dans la zone interdite et empêcher que le vent ne les emporte.
Il ne s’agissait pas de supprimer la contamination comme a pu le laisser croire l’information diffusée par les médias, mais d’en limiter la propagation.
Si la contamination humaine est interne on essaie de déplacer les particules radioactives par différents mécanisme chimiques. L’efficacité dépend de la précocité du traitement, mais les résultats sont en règle générale très limités. On n’a pas les moyens d’aller chercher des particules fixées dans les tissus biologiques.

III FIXATION ET CONCENTRATION ORGANIQUE

La circulation d’une particule radioactive dans l’organisme n’est pas laissée au hasard.
Selon la nature chimique de la source, elle est intégrée aux réactions chimiques à l’intérieur des cellules (au métabolisme). Ainsi, l’organisme utilisera l’iode radioactif au même titre que l’iode non radioactif. Comme l’iode est fixé par la glande thyroïde pour entrer dans la composition de l’hormone thyroïdienne, l’iode radioactif se trouvera également fixé par la thyroïde. La thyroïde joue un rôle actif de concentration de l’iode, y compris de l’iode radioactif.
Le phénomène peut se produire de même pour des particules non habituellement présentes dans le corps, mais dont la structure atomique fait qu’elles peuvent être confondues par l’organisme avec des substances présentes habituellement. C’est le cas du césium qui est confondu avec le potassium (et même capté préférentiellement par rapport au potassium) et diffusé à l’intérieur de toutes les cellules, mais est largement concentré dans les muscles. C’est encore le cas du strontium qui est confondu avec le calcium et fixé dans les os.

On est donc amené à définir pour chaque corps une période biologique, indépendante de la période radioactive, qui représente le temps au bout duquel la moitié de la substance qui a pénétré dans l’organisme est rejetée à l’extérieur dans les urines, les selles, la sueur. Cette période biologique peut être courte ou longue, proche ou éloignée de la période radioactive. Vous en trouverez quelques exemples dans le tableau ci dessous.

Période radioactive Période biologique
iode 131 8 jours jusqu’à 120 jours pour l’iode captée par la thyroïde
césium 137 30 ans de 50 à 150 jours
strontium 90 28 ans 8 à 30 ans (selon les auteurs)
plutonium 239 24000 ans 40 ans dans le foie;100 ans dans les os (CIPR, davantage pour certains auteurs)
ruthénium 106 1 an de 20 à 170 jours (modèles animaux)

Les organes fixant la contamination ne correspondent pas nécessairement aux tissus les plus radiosensibles (c’est-à-dire fragiles à l’irradiation) cités plus haut. Toutefois, le cas du strontium 90 est une conjonction frappante: la période radioactive est moyenne et correspond à peu près à la période biologique qui, elle, est longue puisque le strontium est fixé dans un tissu à renouvellement lent, l’os. L’os est en revanche au contact direct de la moelle osseuse, qui, elle, est à reproduction rapide et fabrique les globules du sang particulièrement radiosensibles. Certains se demandent s’il n’y a pas là un facteur des cancers du sang (leucémies) qui prennent une place de plus en plus importante. Il est tout à fait curieux de constater que personne ne s’empresse de faire des recherches sur ce sujet…

Ce phénomène de concentration biologique est retrouvé dans un certain nombre de situations et peut prendre des proportions très importantes: les chaînes alimentaires. Le phénomène de fixation-concentration biologique d’un radio nucléide peut se produire à répétition dans différents organismes pour aboutir finalement dans l’assiette de l’homme. C’est ce que l’on appelle les chaînes alimentaires. Par exemple: terre- plantes- vaches- lait- homme; ou mer- plancton- poisson- poisson carnassier- homme.

Si le phénomène de concentration se répète à chaque étape, les doses présentes en bout de chaîne alimentaire, dans l’assiette de l’homme, n’ont rien à voir avec la dilution de départ de la pollution.
On connaît, par exemple, le phénomène de concentration de l’iode dans le lait. On sait par ailleurs que la Corse a été assez fortement touchée par les retombées de Tchernobyl. En ce qui concerne l’iode 131 radioactif, on aurait pu protéger la population sans inconvénient économique important puisque, du fait de sa courte période (8 jours), il aurait suffit de transformer toute la production du moment en lait UHT à consommer plus tard pour se protéger de l’iode 131 concentré dans le lait. On n’a rien fait pour ne pas affoler la population. On sait aujourd’hui que des enfants corses ont des problèmes thyroïdiens mis en évidence par le Dr Lefauconnier qui, avec la CRII RAD, incrimine le nuage de Tchernobyl.

IV L’ACTION BIOLOGIQUE DES RADIATIONS IONISANTES

Le fait que les radiations sont dangereuses n’est pas discutable.
Les radiodermites dues aux rayons X, la cancérisation de ces lésions et d’autres tissus sensibles, les mutations génétiques ont été découvertes, si l’on peut dire, “à l’épreuve du feu”. En effet le premier Kg de Radium a fait, d’après certaines estimations, une centaine de morts parmi les chercheurs qui l’ont manipulé, dont Marie Curie elle-même; par ailleurs, une grande partie des connaissances sur les effets humains des radiations atomiques est due à l’étude de la mortalité après les explosions d’Hiroshima et de Nagasaki.
Elle a montré, hormis les effets immédiats de l’explosion, une augmentation des cancers et des malformations congénitales chez les survivants, qui se fait encore sentir aujourd’hui.

De même, en Angleterre en 1953, c’est après avoir vu la mortalité par leucémies des enfants de 3 ans augmenter subitement qu’on a pu incriminer la pratique, nouvelle à l’époque, des radios de bassin chez la femme enceinte et interdire celles-ci pour éviter celles-là.

Le débat actuel ne porte donc pas sur le principe de la toxicité des radiations, mais sur les relations dose – effet. Si beaucoup reste à découvrir, il faut reconnaître que, depuis le début du siècle, tous les progrès des connaissances vont dans le sens d’une toxicité plus grande que celle évaluée antérieurement.
Que se passe t’il dans les tissus lors d’une irradiation ?
Dans les tissus vivants, les réactions chimiques sont très nombreuses, constituant le métabolisme cellulaire. Les molécules les plus grosses seront logiquement des cibles privilégiées pour le rayonnement, puisqu’elles occupent davantage d’espace. Parmi elles, une molécule clef de la vie biologique est l’ADN (acide désoxyribonucléique) qui compose le noyau de chaque cellule et qui porte le code génétique définissant l’ensemble des caractéristiques innées de l’individu: c’est le centre de commande de la vie biologique.

Une petite erreur de code produite par l’ionisation d’un atome se traduira par une modification de la réaction déterminée par ce code, pouvant alors modifier des caractéristiques importantes de la cellule. Les effets biologiques de cette transformation seront différents selon que la cellule touchée est une cellule ordinaire de l’organisme:
cellule somatique, ou une cellule sexuelle: cellule reproductrice.
S’il s’agit d’une cellule somatique. Celle-ci peut devenir aberrante et incontrôlable et donner naissance à un tissu étranger, envahissant et dévastateur, qu’on appelle un cancer.
Les cellules les plus sensibles aux rayonnements sont celles qui se multiplient le plus vite, par exemple les cellules de la peau ou celles de la moelle osseuse qui fabriquent les cellules du sang. C’est pourquoi les cancers radio induits sont le plus souvent des cancers de la peau ou des cancers du sang, parmi lesquels les plus connus sont les leucémies.

Pour les effets cancérigènes, les données sont relativement sûres. Des désaccords subsistent dans la polémique scientifique mais ils ne dépassent guère un facteur 3 à 4 sur l’importance de l’effet. Jusqu’à présent les études n’ont porté que sur l’effet des irradiations externes. Pour l’effet des contaminations internes, les données expérimentales fiables sont quasi inexistantes. Tchernobyl nous montre que les effets cancérigènes les plus importantes proviendront de la contamination interne.
Si la cellule touchée est une cellule reproductrice, cellule du testicule ou cellule de l’ovaire, la modification de l’ADN peut être source d’anomalie génétique. Dans le cas où cette cellule est fécondée, l’anomalie génétique (ici aberration chromosomique) peut provoquer un avortement précoce, c’est-à-dire dans les premières semaines de la grossesse, et, du fait de sa précocité, l’avortement peut passer totalement inaperçu, se manifestant éventuellement par des règles un peu tardives et un peu plus abondantes qu’à l’ordinaire. C’est ce qui arrive le plus fréquemment en cas d’anomalie génétique importante, touchant les chromosomes. Mais quelquefois la grossesse peut se maintenir et aboutir à la naissance d’un enfant porteur de malformation congénitale.

Il se peut également que l’anomalie soit très localisée, touchant sélectivement un gène et constituant alors une mutation génétique. Les plus fréquentes de ces mutations sont dites récessives, ce qui signifie qu’elles sont présentes mais, cachées par le gène dominant normal, ne se manifestent pas. Elles constituent cependant une anomalie héréditaire transmise selon les lois de la génétique. Elles sont susceptibles d’apparaître et de provoquer une maladie après une ou plusieurs générations, au hasard des rencontres des stocks génétiques paternels et maternels. Il faut ajouter qu’il existe des possibilités,
encore mal connues, de reconnaissance des gènes anormaux et de réparation de ces gènes par la cellule elle-même.

En ce qui concerne l’effet du rayonnement sur le patrimoine génétique nous ne connaissons presque rien. Essentiellement des expériences faites sur des animaux de laboratoire. Les effets génétiques pourraient bien être la composante majeure des conséquences d’un accident nucléaire grave, mais ce “détriment” est un
détriment vicieux, pervers, parce qu’il peut être relativement faible dans les premières générations et augmenter au cours du temps parce que certains défauts du patrimoine génétique vont se propager dans les générations futures suivant des mécanismes mal connus.

Après avoir étudié l’effet du rayonnement sur les molécules, nous allons nous intéresser aux conséquences sur les populations. Nous n’examinerons ici que le problème des cancers radio-induits.

  1. Ces cancers sont absolument identiques aux cancers “naturels”. Il n’est donc pas possible de les identifier parmi l’ensemble des cancers, de déclarer radio induit  un cancer observé sur un individu donné même si celui-ci a été irradié (et inversement).
  2. Pour la même irradiation, l’induction de cancer dépendra fortement des individus, en particulier du système immunitaire.
  3. Pour un groupe assez important d’individus irradiés, on pourra observer un accroissement de la fréquence des cancers qui dépendra du niveau de l’irradiation.
  4. L’apparition clinique de ces cancers ne se fera qu’après un temps de latence très long, de 2 ans pour les leucémies à plusieurs décennies pour les autres cancers.

Ces propriétés interdisent toute approche individuelle pour l’étude expérimentale des effets cancérigènes du rayonnement, ainsi que pour la fixation du risque par les systèmes de radioprotection. Seule, une approche statistique a un sens, mais à condition de disposer de données de mortalité parmi une cohorte suffisamment importante numériquement, et pendant une très longue période. Dans une société nucléaire, les statistiques de mortalité deviennent des matériaux stratégiques qu’il est dangereux de laisser dans le domaine public !!

Lorsqu’une population a été irradiée, le bilan de la mortalité par cancers radio induits dans cette cohorte ne peut se faire que de deux façons:

  • soit collecter les données de mortalité pendant plus de 30 ans ou mieux, jusqu’à la disparition de la cohorte. Dans ce cas, le risque ne sera connu qu’après la mort de ceux qui l’auront subi;
  • soit évaluer les niveaux d’irradiation et fonder le bilan sur le facteur de risque établi par des études antérieures dont on peut garantir la qualité. Le risque est connu avant l’extinction de la population concernée mais l’estimation des doses reçues (ou qui seront reçues) est difficile et source de controverse quant aux modèles retenus pour l’effectuer, en particulier lorsqu’il s’agit d’une irradiation par contamination interne, par inhalation de poussières radioactives, ou par ingestion d’aliments obtenus sur des territoires contaminés.

Voici deux exemples d’études statistiques sur l’effet des rayonnements.

V LES LEUCEMIES DE SELLAFIELD

En 1983, en Grande-Bretagne, une controverse éclate au sujet de taux de cancers et de leucémies surélevés, chez les enfants, dans le voisinage de SELLAFIELD (une usine de retraitement des combustibles irradiés). Une commission d’enquête officielle confirme les faits sans pour autant fournir une explication précise. En février 1990, Martin GARDNER établit une relation fortement significative entre la sur-incidence de leucémies et l’irradiation (avant la conception) des pères employés à l’usine.
L’auteur suggère que l’irradiation des pères pourrait entraîner des mutations, au niveau de leur cellules reproductrices, responsables de l’apparition des leucémies chez les enfants. C’est la première fois qu’un tel résultat est observé chez l’Homme. Pourtant celui-ci est en parfaite cohérence avec les conclusions des expériences conduites par Taisei NOMURA sur prés de 25.000 souris.

Si les études épidémiologiques formulent l’hypothèse d’une relation de cause à effet sans la prouver, la biologie moléculaire doit pouvoir apporter des réponses aux questions soulevées.
Les mécanismes d’altération du patrimoine génétique par les rayonnements ionisants commencent à être bien connus.
Mais, aujourd’hui, la découverte de “gènes potentiels du cancers” (oncogènes) et de “gènes protecteurs” (anti-oncogènes)nous laisse entrevoir en pointillé le cheminement qui, à partir d’agents physiques (radiations) ou chimiques, pourra conduire à plus ou moins long terme à des dérèglements graves du fonctionnement cellulaire. Si les cellules atteintes sont les cellules reproductrices, c’est alors la descendance qui supportera le fardeau des mutations induites, chez les parents, par l’exposition professionnelle ou par des facteurs de l’environnement.

Pour l’ensemble du dossier voir l’ACROnique du nucléaire n°13.

VI PATHOLOGIE THIROIDIENNE MORPHOLOGIQUE RADIO INDUITE PAR DE FAIBLES DOSES
D’IRRADIATION CERVICALE: APPORT D’UNE ENQUÊTE EPIDEMIOLOGIQUE DE
COHORTE.

L’étude a porté sur une population de 396 patients irradiés pour un angiome cutané (tumeur bénigne d’origine vasculaire) dans l’enfance (recul moyen 22 ans) par de faibles doses de radiations ionisantes (< 1 Gy), à proximité de la thyroïde.
Plusieurs études épidémiologiques ont établique:

  • Le risque de nodule ou de cancer thyroïdien est, pour une même dose, plus important lorsque l’irradiation survient dans l’enfance ou chez une femme; ce risque peut se manifester très longtemps après.
  • Pour des irradiations à fort débit, entre 100µ Gy et au moins 10 Gy, la relation entre le risque et la dose délivréeà la thyroïde est linéaire.
  • Aucune augmentation significative du risque de tumeurs thyroïdiennes
    n’a été observée après administration d’activité diagnostique ou thérapeutique d’iode 131.

En revanche le devenir des sujets irradiés des îles Marshall après l’explosion de Bikini, suggère que les isotopes de l’iode à demi vie brève ont un effet tumorigène plus important que l’iode 131, ce qui est attribué à un débit de dose plus élevé.

Le recrutement.

A l’institut Gustave Roussy plus de 5000 enfants porteurs d’un angiome cutané ont été traités entre 1941 et 1973 par différentes techniques de radiothérapie ayant des débits de dose très variables. Parmi les 1137 patients irradiés qui ont répondu, 396 enfants (305 filles et 91 garçons) ont eu leur thyroïde exposée en raison soit de la proximité de l’angiome (moins de 5 cm pour une irradiation bêta pure), soit
du type d’irradiation (gamma ou x); 95 % d’entre eux ont été irradiés au cours de leur première année.

La dosimètrie.

Disposant pour chaque patient d’un dossier technique de l’irradiation, il a été possible de calculer la dose délivrée à la thyroïde. Il est a noter que ces doses sont faibles puisque 98 % d’entre elles sont inférieures à 1 Gy.
Les traitements ont été regroupés en 2 catégories :

  • courte durée et fort débit, de  quelques secondes à quelques minutes;
  • longue durée et débit plus faible, de 30 mn à quelques heures.

Les résultats

Les 396 patients de cette cohorte ont été surveillés en moyenne 22 ans. Au terme d’un bilan clinique et scintigraphique, 38 patients étaient porteurs d’une anomalie morphologique thyroïdienne.

ANOMALIE MORPHOLOGIQUE OBSERVEE DANS UNE COHORTE DE 396 PATIENTS
IRRADIES DANS L’ENFANCE POUR UN ANGIOME CUTANE
Longue durée
Faible débitN=178
Courte durée
Fort débitN=103
Association des deux types
N=115
SexeGarçon/Fille
45/133
24/79
22/93
Année de traitementMédianeExtrèmes
1962
1943-1972
1968
1955-1973
1964
1946-1973
Dose thyroïdeMoyenneExtrème
0,094
<0,00001-2,01
0,075
<0,00001-2,74
0,084
<0,00001-0,87
Débit de dose thyroïdemoyenne (Gy/s)
5 10-6
138 10-6
5 10-6
Goitre observé
8
8
8
Nodule observé
1
4
9

Chez 24 d’entre eux, il s’agissait d’un goitre simple, soit un taux d’incidence de 30 pour 1000 personnes par an et par gray. Aucune influence du sexe n’a été observée. 14 enfants ont
développé un nodule thyroïdien unique (treize bénins et un cancer papillaire). Le taux d’incidence est de 1,8 pour 1000 personnes par an et par Gy. Le risque de nodule était trois fois plus élevé parmi les femmes. Pour ces deux anomalies morphologiques, le risque augmentait avec la dose : le risque relatif par gray était de 3 pour les nodules et de 4 pour les goitres.
Le débit de dose n’affecte pas le risque de goitre, en revanche le risque de nodule était augmenté dans le groupe de sujets irradiés avec un fort débit.

Conclusion

Cette étude épidémiologique rétrospective
portant sur 396 enfants irradiés pour un angiome cutané apporte
des informations sur les séquelles thyroïdiennes à long
terme de faibles doses de radiation ionisante (< 1 Gy ).

  • Elle souligne le rôle du débit de dose dans l’apparition des nodules thyroïdiens. Il existe une augmentation significative du risque de leur apparition, uniquement pour des irradiations de courte durée et à fort débit.
  • Quant à la relation dose thyroïde / goitre, les auteurs la rapproche des observations effectuées dans les régions à haut niveau de radioactivité naturelle. “Il est intéressant de noter que le contenu en iode de ces thyroïdes irradiées est significativement abaissé et que cette diminution est significativement liée à la dose totale reçue par la thyroïde.
    L’extrême radiosensibilité du tissu thyroïdien de ces enfants, dont la grande majorité a été irradiée
    dans la première année de leur vie, pourrait expliquer l’apparition de ces goitres”.

Source

“Médecine et science” Août Septembre 1993

Les auteurs :  P.Fragu, INSERM-  F.de Vathaire, INSERM –
P.François, service de  radiologie Toulouse -M.F. Avril, dermatologie
– I. Gustave Roussy.

Pour en savoir plus, se reporter à:

  • La Radioactivité et le Vivant.
    les effets biologiques du rayonnement. par Roger Belbéoch.  page 15 à 19  novembre 1990.
  • Santé et Rayonnement.
    Effets cancérigènes des faibles doses de rayonnement. GSIEN/CRII-RAD janvier 1988.

Liens

Articles dans l’ACROnique du nucléaire

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