B7 · Rayonnements ionisants
Applications médicales des rayonnements ionisants
Comparer imagerie de transmission et imagerie d'émission et le choix du radionucléide selon sa période et son rayonnement. Présenter les principes de la scintigraphie, de la tomographie par émission de positons et de la radiothérapie.
Biophysique6 min de lecture17 QCM corrigés
Deux logiques d’imagerie par rayonnements ionisants
L’imagerie médicale utilise les rayonnements ionisants selon deux organisations opposées : soit une source extérieure traverse le patient, soit une substance radioactive introduite dans l’organisme émet elle-même le rayonnement détecté.
En radiographie et en tomodensitométrie, le détecteur mesure l’intensité transmise. Un tissu très atténuant laisse parvenir moins de photons au détecteur qu’un tissu peu atténuant. L’information obtenue est donc principalement morphologique : elle renseigne sur la géométrie et les propriétés d’atténuation des structures.
L’imagerie d’émission fournit ainsi une information surtout fonctionnelle ou moléculaire. Sa résolution spatiale est généralement inférieure à celle de l’imagerie de transmission, mais elle peut révéler une modification fonctionnelle avant l’apparition d’une modification morphologique importante.
Choisir un radionucléide
Le choix ne dépend pas seulement de la radioactivité. Il doit concilier les propriétés physiques du noyau, le comportement biologique du radiopharmaceutique et l’objectif diagnostique ou thérapeutique.
Périodes physiques, biologiques et effectives
La période physique est le temps nécessaire pour que l’activité radioactive soit divisée par deux du fait des désintégrations. Sa détermination et la loi de décroissance sont traitées dans la fiche consacrée à la décroissance radioactive.
La période physique doit être assez longue pour permettre la préparation, l’administration, la distribution biologique et l’acquisition des données. Elle doit néanmoins rester aussi courte que possible afin de limiter l’irradiation après l’examen. La période effective est toujours inférieure à chacune des deux périodes qui la déterminent, car les deux mécanismes réduisent simultanément l’activité présente.
Nature du rayonnement
Pour une détection externe, le rayonnement doit sortir de l’organisme avec une probabilité suffisante. Les photons gamma sont donc adaptés à la scintigraphie. Une énergie trop faible entraîne une forte absorption dans les tissus, tandis qu’une énergie trop élevée rend la détection et la collimation moins efficaces.
La tomographie par émission de positons exige un radionucléide émetteur . Pour la thérapie, on recherche au contraire un dépôt d’énergie élevé dans le volume ciblé. Les particules ont une portée permettant une irradiation sur plusieurs distances cellulaires, tandis que les particules alpha déposent très densément leur énergie sur une courte distance.
Scintigraphie et tomographie d’émission monophotonique
La caméra à scintillation comporte successivement :
- un collimateur, qui ne laisse passer que certaines directions de photons ;
- un cristal scintillateur, qui convertit l’énergie déposée en lumière ;
- des photodétecteurs, qui transforment cette lumière en signaux électriques ;
- un système électronique, qui estime la position et l’énergie de chaque interaction.
Le collimateur est indispensable car un détecteur isolé ne connaît pas la direction d’origine d’un photon gamma. Ses ouvertures réalisent une sélection géométrique : cette sélection permet la localisation, mais rejette une grande partie des photons. Il existe donc un compromis entre sensibilité, c’est-à-dire le nombre de photons utiles détectés, et résolution spatiale, c’est-à-dire la capacité à distinguer deux régions proches.
Une fenêtre énergétique retient les événements compatibles avec l’énergie attendue. Elle réduit notamment la contribution des photons diffusés, dont la direction ne représente plus correctement leur lieu d’émission.
La scintigraphie planaire superpose les activités situées à différentes profondeurs. La tomographie réduit cette superposition, au prix d’une acquisition et d’une reconstruction plus complexes.
Tomographie par émission de positons
Après son émission, le positon perd son énergie dans la matière puis s’annihile avec un électron. Leur masse est convertie principalement en deux photons de émis dans des directions presque opposées.
Des détecteurs disposés autour du patient enregistrent les photons. Lorsque deux photons sont détectés dans une fenêtre temporelle très courte, le système considère qu’ils proviennent d’une même annihilation. Celle-ci se situe alors sur la ligne de réponse joignant les deux détecteurs.
La détection en coïncidence remplace la collimation mécanique de la scintigraphie. Elle augmente la sensibilité, mais la localisation reste limitée par la distance parcourue par le positon avant son annihilation et par le défaut de stricte opposition des deux photons.
Radiothérapie
Les mécanismes moléculaires des lésions radio-induites et les grandeurs dosimétriques sont étudiés dans les fiches dédiées aux effets biologiques et à la dosimétrie. Le principe thérapeutique repose sur une différence exploitable entre le contrôle de la cible et la tolérance des tissus normaux.
Modalités d’irradiation
En irradiation externe, plusieurs faisceaux peuvent converger vers la cible. Chaque faisceau traverse des tissus sains, mais leur convergence augmente la dose au volume visé. La planification définit les volumes à traiter, les organes à protéger, les orientations des faisceaux et la répartition de dose.
Le fractionnement consiste à répartir la dose totale en plusieurs séances. Entre deux fractions, les tissus peuvent réparer une partie des lésions subies. Le schéma choisi cherche à exploiter les différences de réponse entre la cible et les tissus sains.
En radiothérapie interne vectorisée, le radionucléide est associé à un vecteur qui concentre préférentiellement l’activité dans la cible. La portée des particules doit être cohérente avec la taille et l’hétérogénéité du volume à traiter. Un rayonnement photonique associé peut permettre le contrôle de la distribution, mais contribue aussi à l’irradiation à distance.
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