Des irradiations millimétrées
© Mark Kostic / Vetta / Getty ImagesL 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
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. SantarelliUn dosage en images
ou comment optimiser la posologie de médicaments anticancéreux radioactifs
© 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