Des irradiations millimétrées

Albert LISBONA, responsable du service de physique médicale de l’Institut de cancérologie de l’Ouest René-Gauducheau (Nantes)
© Mark Kostic / Vetta / Getty Images

L a radiothérapie externe consiste, à l’aide principalement de rayons X très énergétiques (entre 4 et 25 MeV) produits par des accélérateurs d’électrons, à déposer une grande quantité d’énergie dans une tumeur tout en minimisant celle qui est reçue par les tissus sains voisins. Le calcul de la dose de rayonnements ad hoc et le pilotage du robot d’irradiation1 sont aujourd’hui bien maîtrisés (la survenue d’un accident restant cependant toujours possible) ; les progrès visés concernent en majeure partie la réduction de la dimension de la zone ciblée.

Nous utilisons un dispositif récemment développé et capable de délivrer jusqu’à 85 grays (joules par kilo) en une fraction de seconde à des tumeurs cérébrales d’un volume à peine supérieur à 1 cm3, la section du faisceau incident pouvant être restreinte à moins d’1 cm2 grâce à des diaphragmes placés entre la source de rayons X et le corps du patient. La mise au point de ce dispositif a nécessité l’adaptation des moyens de simulation numérique qui permettent de programmer l’opération en fonction de la morphologie du patient et de la position d’une telle tumeur. L’irradiation est testée au moyen de détecteurs placés en différents lieux d’un corps fictif : la distribution effective de l’énergie peut ainsi être comparée à celle qui a été programmée. Cependant, un problème demeure : les performances des détecteurs utilisés aujourd’hui en métrologie des rayons X thérapeutiques (chambre d’ionisation, détecteur à radiothermoluminescence, détecteur solide à semi-conducteurs) ne sont pas tout à fait à la hauteur de la précision requise (section du faisceau inférieure à 1 cm2). Nous collaborons avec le Laboratoire national Henri-Becquerel du CEA au projet Diadomi, soutenu par l’Agence nationale de la recherche, qui vise à développer un détecteur à diamant artificiel adapté à cette précision.

1. Cf. L’art du dosage, A. Lisbona et M. Bardiès, Têtes chercheuses n°5.

DOSSIER
Des toxiques à moindres risques

Radioprotection et radiothérapies

Une minutie protectrice

Nicolas VARMENOT, physicien médical à l’Institut de cancérologie de l’Ouest René-Gauducheau, responsable du service « Prévention des risques » du GIP Arronax- www.cyclotron-nantes.fr

Le cyclotron Arronax est un accélérateur de particules conçu pour fabriquer des atomes radioactifs utiles à la médecine1 et pour servir à des études ou des recherches en radiochimie, en radiobiologie ou en physique nucléaire ; ses performances (haute énergie, haute intensité) en font un outil unique et novateur. Les rayonnements générés par son fonctionnement et par les radionucléides produits sont source de divers bénéfices mais pourraient ne pas être sans danger pour le personnel et l’environnement si les risques qui leur sont liés n’étaient pas parfaitement maîtrisés. Il faut donc mettre en œuvre les règles strictes de radioprotection en vigueur ; comme il s’agit d’une installation nouvelle, de nombreuses études sont requises pour ce faire.
Il s’agit d’abord d’identifier, de caractériser et de quantifier toutes les sources de rayonnements : le cyclotron lui-même, les radionucléides produits et les matériaux activés (rendus radioactifs) lors du processus de production. En particulier, les interactions entre les particules alpha ou les protons accélérés et leurs cibles (où sont produits les radionucléides) génèrent des rayonnements intenses de neutrons et de photons qui vont activer certains équipements et l’air ambiant. Ainsi, avant l’installation du cyclotron, il a fallu effectuer de nombreux calculs et simulations afin, par exemple, de déterminer l’épaisseur minimale (3 mètres) des murs des casemates de production qui garantisse la sécurité du personnel situé dans les pièces attenantes, et d’estimer le volume d’air à filtrer et à renouveler chaque heure (entre 5 et 10 fois celui de la casemate !).

Une multitude d’études de poste

Nous continuons de réaliser des simulations pour étudier des situations particulières, dans lesquelles les mesures sont difficiles à effectuer, ou pour ajuster les stratégies de contrôle. Par exemple, la simulation de l’activation des circuits d’eau de refroidissement du cyclotron indique si les contaminants y seront en majorité des émetteurs de rayons bêta ou plutôt de rayons gamma ; le choix de la méthode et des instruments de mesure de la radioactivité effective (spectromètres, débitmètres ou compteurs à scintillation) dépendront des résultats obtenus.

Une fois les sources de rayonnement ainsi étudiées, nous définissons des zones correspondant à différents niveaux de risque. Ces zones servent à l’étude de tous les postes de travail dans lesquels le personnel peut être exposé aux radiations : elles permettent d’estimer les doses reçues par un agent lors de chaque opération. Par exemple, après un tir de particules sur une cible, nous avons mesuré les débits de dose présents le long de la ligne de faisceau et ainsi cartographié l’environnement radiologique de la casemate. Ces données permettent d’organiser, dans l’espace et dans le temps, les interventions de maintenance. Il est ainsi possible de restreindre l’ensemble des expositions de chaque agent de sorte de ne jamais dépasser la limite réglementaire de 20 millisieverts2 pour la dose totale reçue en un an. Des études similaires sont requises pour gérer, via différentes filières d’élimination, les déchets activés et limiter ainsi tout risque de contamination de l’environnement.

Des études de poste doivent être également réalisées dans les laboratoires où les techniciens et les chercheurs manipuleront des nouveaux radionucléides tels que le strontium 82 pour lesquels il n’existe pas encore de protocole de manipulation standard.

1. Cf. Un dosage en images (ci-dessous) et Têtes chercheuses n°5 « Les rayons du progrès », pour la médecine nucléaire comme pour le cyclotron Arronax.

2. Cf. le glossaire

À gauche, l’enceinte d’Arronax (sans son toit) et ses 6 casemates de production isolées par des murs de béton. À droite, un exemple de distribution de débit de dose dans une casemate après un tir. © Epsim - J.F. Santarelli

Un dosage en images

ou comment optimiser la posologie de médicaments anticancéreux radioactifs
par Ludovic FERRER, physicien médical à l’Institut de cancérologie de l’Ouest René-Gauducheau, doctorant à l’Université de Nantes, dans l’unité U892 de l’Inserm (CRCNA, Centre de recherche en cancérologie Nantes-Angers)
© L. Ferrer Représentation volumique d’une image anatomique (scanner par rayons X) combinée à une image fonctionnelle (TEP). Des foyers tumoraux sont visibles dans le thorax ; les concentrations de radiotraceurs visibles dans le cerveau, les reins et la vessie sont normales.

La médecine nucléaire recourt à des éléments chimiques radioactifs. Ceux-ci peuvent être attachés à des composés moléculaires « vecteurs » qui, une fois injectés dans le sang, vont se fixer sur des cellules particulières. Il est alors possible de localiser ces cellules et d’évaluer la taille voire aussi l’activité métabolique de la structure qu’elles forment : des techniques d’imagerie (scintigraphie ou TEP1) permettent en effet de reconstituer les lieux de concentration des sources de rayonnement distribuées dans le corps et détectées par des caméras spéciales.

Les radioéléments tels que le technétium 99, émetteurs de rayonnement électromagnétique gamma peu absorbé par les tissus, sont utilisés de la sorte pour réaliser des diagnostics dans diverses spécialités médicales : oncologie, endocrinologie, cardiologie, neurologie, etc. En oncologie, d’autres radioéléments ainsi vectorisés permettent de traiter des cancers : il s’agit d’émetteurs de rayons bêta (électrons) ou alpha (noyaux d’hélium) car ces particules, surtout les alpha, sont davantage absorbées par la matière que les rayons gamma ; une fois leurs vecteurs fixés sur les cellules cancéreuses, ce sont ces dernières qui vont être les plus exposées aux rayons destructeurs.

Dans cette radiothérapie interne ou moléculaire2, la radioactivité portée par les vecteurs et l’efficacité de leur ciblage doivent être suffisantes pour détruire un maximum de tumeurs sans altérer un grand nombre de cellules saines. La quantité de radioactivité injectée est cependant plus difficile à ajuster que celle des rayonnements délivrés en radiothérapie externe3, dans laquelle le rapport entre l’énergie des rayons émis depuis l’extérieur du corps et celle qui est absorbée dans les tissus ciblés ou traversés est assez précisément connu.

Une combinaison prometteuse

Notre unité de recherche développe une méthodologie de calcul de la radioactivité à injecter. Cette posologie est fonction du résultat de l’estimation de la dose qui sera absorbée par les différents tissus, une « dosimétrie » complexe réalisée grâce aux données fournies par une technologie d’imagerie. Des méthodologies recourant à une scintigraphie (imagerie en 2D) sont déjà employées pour ajuster la posologie classique, qui repose essentiellement sur la masse corporelle du patient et sur le niveau de radioactivité du produit injecté ; cependant, on souhaite améliorer leur précision.

Lors d’essais cliniques récents, l’utilisation de systèmes combinant une scintigraphie ou une TEP avec une imagerie anatomique en 3D4 nous a permis de mettre au point une procédure de calcul plus précise, parce qu’il est alors possible de mettre en relation, pour chaque petit volume corporel observé, la dose absorbée localement et le type de tissu présent dans ce volume.

Des essais cliniques mettant en œuvre cette technologie 3D permettent d’établir enfin des corrélations entre la dose absorbée calculée et les effets des rayonnements sur les tissus des patients (une telle corrélation permettant de déterminer le seuil au-delà duquel la dose mettra en danger les tissus sains). Nous y sommes parvenus dans le cadre d’un essai de radio-immunothérapie des « lymphomes non hodgkiniens », cancer du système lymphatique qui affecte en particulier la moelle osseuse. Nous avons en effet montré que les niveaux différents (mais faibles, au demeurant) de toxicité hématologique (une dégradation du sang due en l’occurrence à l’effet des radiations sur la moelle osseuse) observés chez les patients traités étaient en large partie conformes à notre estimation des doses absorbées par leur moelle osseuse.

Ce résultat encourageant doit être confirmé par d’autres essais cliniques et la procédure reste encore à affiner afin d’optimiser la posologie.

1. tomographie par émission de positons. Cf. la section "La médecine nucléaire" dans Têtes chercheuses n°5.

2. ou plutôt de « radio-immunothérapie », la cible des vecteurs étant des antigènes (macromolécules liées au système immunitaire) spécifiques des cellules tumorales à traiter

3. Cf. Des irradiations millimétrées ci-contre
4. une tomodensitométrie par rayons X

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