Légende de la leçon
Vert : définitions
I. Les produits de contraste pour l’IRM
1) L’IRM (imagerie par résonance magnétique)
L’IRM est liée aux propriétés magnétiques des atomes d’hydrogène, très abondants dans le corps humain, majoritairement sous forme d’eau.
Le noyau d’un atome d’hydrogène comporte un proton chargé positivement en rotation permanente : il crée un champ magnétique selon une direction donnée. Lorsque le patient est placé dans un champ magnétique puissant d’environ 2 à 3 teslas, les champs créés par les noyaux d’hydrogène s’alignent sur le champ magnétique puissant.
Champs magnétiques créés par des noyaux d’hydrogène
Lorsque des ondes radios d’énergie précise sont envoyées sur ces noyaux, elles perturbent cet alignement. Le retour à l’état initial ou relaxation s’accompagne de l’émission d’une onde électromagnétique caractéristique, détectée par une antenne : son analyse fournit des images 3D des organes explorés.
Il est possible d’étudier finement les tissus « mous » : cerveau, moelle épinière, muscles, etc., d’en connaître la structure et de détecter des tumeurs cancéreuses : c’est l’IRM anatomique. Il est aussi possible de suivre le fonctionnement du cerveau : c’est l’IRM fonctionnelle.
Images d’un cerveau obtenues par IRM
2) Le domaine de fréquences employées en IRM
La gamme de fréquences est comprise entre 60 et 600 MHz : ce sont des ondes radio ou radiofréquences. La valeur choisie est directement liée à la valeur du champ magnétique (de 1 à 12 teslas) à l’intérieur de l’appareil : plus la fréquence est importante, plus les images seront précises.
3) Les produits de contraste
L’imagerie médicale permet l’étude des contrastes des tissus grâce à des procédés physiques et à la nature physico-chimique des tissus. Sur un cliché de tissus mous, à faible écart de densité, les contrastes ne sont pas marqués : aussi, l’administration de produits de contraste se révèle nécessaire. Ce sont des produits chimiques, injectables ou ingérables qui améliorent les images des organes explorés. Ce sont aussi des médicaments administrés dans un but diagnostique et non thérapeutique.
Les produits de contraste modifient localement les paramètres intrinsèques des tissus là où ils iront se fixer préférentiellement. Ces produits doivent bien sûr être non toxiques, efficaces en concentration faible et se fixer spécifiquement sur certains tissus. Ils accélèrent la relaxation après irradiation par l’onde radio dans les tissus pour augmenter la performance diagnostique de l’examen.
En IRM, les produits de contraste utilisés sont à base de gadolinium. Ils sont injectés par voie intraveineuse, se répartissent dans le réseau veineux et interstitiel et permettent alors d’obtenir des images de l’ensemble du corps humain. Ils sont éliminés par voie urinaire.
L’ion gadolinium est très toxique, il faut donc l’enfermer dans un complexe et particulièrement dans une molécule formant un cycle, afin d’augmenter la stabilité du complexe.
Dans le cas du Gadotéridol, agent de contraste utilisé en IRM, la molécule organique comporte des fonctions acides carboxyliques COOH.
Gadotéridol
Définition
Un complexe correspond à l’établissement de liaisons entre des doublets non liants de la molécule organique cyclique et le gadolinium.
II. Les marqueurs radioactifs en imagerie médicale
1) L’atome
L’atome comporte un noyau autour duquel gravitent les électrons. Le noyau, chargé positivement, est composé de nucléons : protons et neutrons. Il est très petit et dense. L’atome étant neutre, il y a autant de protons (chargés positivement) que d’électrons (chargés négativement).
Un élément est caractérisé par son numéro atomique Z (ou nombre de protons) et par son nombre de masse A (ou nombre de nucléons). Z protons ; N neutrons ; A = Z + N.
On représente un nucléide, c’est-à-dire un noyau atomique par XZA. X est le symbole chimique de l’élément : il commence toujours par une majuscule, suivie éventuellement d’une minuscule pour différencier les éléments chimiques.
Exemples
2) L’isotopie
Les isotopes d’un élément ont le même numéro atomique, et ont donc un nombre égal de protons, mais ils diffèrent par leur nombre de neutrons N, donc également par A.
Exemple
Pour reconnaître les noyaux isotopes dans la série suivante, il faut regarder quels sont les noyaux qui ont le même numéro atomique : X612 X715 X815 X614 X816
On remarque qu’il y a 2 couples d’isotopes : X612 X614et X815 X816
Deux noyaux isotopes représentent le même élément chimique, ils ont la même charge électrique mais pas la même masse. Ils peuvent avoir des propriétés nucléaires très différentes : certains sont stables et d’autres radioactifs.
3) La radioactivité
a) Définition
La radioactivité est la désintégration de noyaux atomiques instables. Un noyau radioactif se décompose spontanément en un noyau fils différent avec émission de particule ou de rayonnement.
b) Les quatre différents types d’émissions radioactives
Trois sont des particules de matière :
Le rayonnement gamma (γ) est de nature électromagnétique : il est constitué de photons. Les rayonnements γ ont une fréquence comprise entre 3 × 1019 Hz et 3 × 1022 Hz, ce qui correspond à une longueur d’onde dans le vide λ0 comprise entre 10−11 et 10−14 m. Les rayons gamma ont des longueurs d’onde plus petites que les rayons X et donc des fréquences plus grandes : ils sont produits par désintégration radioactive contrairement aux rayons X.
Les équations de décomposition sont régies par les lois de conservation de Soddy : au cours de toute réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de charges ou de protons (∑Z1 = constante : la somme des numéros atomiques à gauche est égale à celle à droite dans l’équation nucléaire) et conservation du nombre de masse ou de nucléons (∑A1 = constante : la somme des nombres de masse à gauche est égale à celle à droite dans l’équation nucléaire).
Les équations nucléaires de décomposition :
Lors d’une réaction nucléaire α ou β, le noyau formé est initialement dans un état « excité », à cause du bouleversement important suscité par l’éjection de la particule α ou β. Le noyau retrouve son état fondamental en émettant l’excès d’énergie sous forme de radiations ou photon γ : XZA*→XZA + nγ (plusieurs photons peuvent être émis : n est un entier).
Exemple
Un radio-isotope U92238 uranium 238 se décompose en N93238p neptunium 238.
L’équation nucléaire est : U92238→XZA+N93238p. Pour trouver le rayonnement émis, on utilise les lois de Soddy : 238 = A + 238 et 92 = Z + 93, ce qui permet de trouver A = 0 et Z = – 1.
Le rayonnement émis est donc X−10, c’est un électron, il s’agit donc de radioactivité β–.
c) L’activité
L’activité A(t) au temps t est le nombre de désintégrations par unité de temps : l’activité d’un radioélément peut être mesurée avec un compteur Geiger Muller. Elle dépend du nombre de noyaux présents et du radionucléide.
L’activité s’exprime en becquerel (Bq) : un becquerel correspond à une désintégration par seconde. On peut définir l’activité par unité de masse, l’unité s’exprime alors en becquerel par kilogramme (Bq.kg–1).
Lorsqu’un corps est irradié ou contaminé, il reçoit de l’énergie de la part du rayonnement absorbé. On parle de dose.
La dose absorbée, notée D, est égale au rapport de la quantité d’énergie reçue E par la masse m de matière irradiée : D = Em. L’énergie reçue E est en joule (J), la masse m de matière irradiée en kilogramme (kg) et la dose absorbée s’exprime en Grays (Gy). Ainsi, une dose de 1 gray correspond à 1 joule par kilogramme : 1Gy = 1 J.kg–1.
Exemple
Un individu de masse m = 85 kg est irradié par une source de rayons X. Il reçoit une énergie E = 3,0 mJ. La dose absorbée est calculée D = Em = 3,0×10−385 = 3,5 × 10–5 Gy.
La dose équivalente, notée H, prend en compte les effets biologiques différents selon le type de rayonnements : H = wR × D. wR est un facteur de pondération dont la valeur dépend du rayonnement, sans unité. H, la dose équivalente, s’exprime en sieverts (Sv). D, la dose absorbée, est en gray (Gy).
Remarques
Le facteur de pondération est compris entre 1 et 20 selon le rayonnement considéré.
Une dose équivalente de 1 sievert est énorme, on utilise plus souvent le millisievert (1,0 mSv = 1,0 × 10–3 Sv).
Les doses reçues s’ajoutent.
Exemple
Un individu absorbe une dose D = 3,0 × 10–4 Gy lors d’une irradiation avec des particules alpha. Dans ce cas, la valeur du facteur de pondération wr est 20.
La dose équivalente H reçue vaut donc H = wr × D = 20 × 3,0 × 10–4 = 6,0 × 10–3 Sv = 6,0 mSv.
d) La demi-vie radioactive
On appelle demi-vie radioactive t1/2(ou période), le temps au bout duquel l’activité est divisée par deux, c’est-à-dire où la moitié du nombre de noyaux initialement présents s’est désintégrée.
Un échantillon contient des noyaux d’iode radioactifs β– I53131. On donne l’évolution de l’activité de cet échantillon en fonction du temps sur le graphe ci-dessous.
Courbe de décroissance radioactive de l’iode 131
On constate qu’il faut 8 jours pour que l’activité soit divisée par 2 en passant de 1 000 à 500 becquerels : c’est le temps appelé « demi-vie radioactive » de l’iode 131. On remarque qu’il faut à nouveau 8 jours pour que l’activité passe de 500 à 250 becquerels. Et ainsi de suite. Cette demi-vie radioactive ne dépend pas de l’activité.
Les demi-vies radioactives sont très différentes d’un élément radioactif à un autre et même d’un isotope radioactif à un autre, comme le montre le tableau suivant.
D’une manière générale, le graphe d’évolution de l’activité au cours du temps a la forme suivante :
Graphe d’évolution de l’activité au cours du temps
Au bout d’une demi-vie, l’activité est divisée par 2 : A = Ao2 ; après 2 demi-vies l’activité est redivisée par 2, soit 4 depuis le début : A = Ao4 = Ao22. Lorsque l’on a atteint 10 demi-vies, l’activité de l’échantillon est considérée comme négligeable par rapport au début (elle a été divisée par 210).
4) Les marqueurs radioactifs
L’examen consiste à administrer au patient un traceur radioactif, choisi en fonction de sa capacité à suivre un métabolisme ou à fournir un diagnostic sur le fonctionnement d’un organe donné. Le traceur peut être un atome seul (iode 123), une molécule marquée, une hormone marquée ou encore un anticorps marqué par un isotope.
La scintigraphie est le procédé de diagnostic consistant à suivre le cheminement d’un isotope radioactif émetteur de rayons gamma.
La tomographie par émission de positons (TEP) constitue une modalité d’imagerie fonctionnelle reposant sur l’administration au patient d’un traceur légèrement radioactif dont on étudie le métabolisme dans l’organisme.
Dans le cas de l’imagerie, on veut localiser le traceur avec une détection extérieure et en limitant l’exposition aux radiations. Il faut donc choisir des radioéléments émetteurs de rayons gamma, qui irradient peu et sont assez pénétrants pour sortir de l’organisme afin d’être détectés. La demi-vie du radioélément doit être suffisamment longue pour réaliser l’examen médical mais être aussi assez courte pour éviter une irradiation inutile.
Exemples
Quelques traceurs utilisés en radiodiagnostic :
5) La radioprotection du personnel en présence de source radioactive
Une personne peut être exposée de deux manières :
- soit par une exposition externe : l’irradiation ;
- soit par une exposition interne : la contamination (qui peut se faire par inhalation, par ingestion de substance radioactive ou de manière cutanée).
Cette exposition aura alors différents effets biologiques : somatiques (sur l’organisme) ou génétiques :
- les effets somatiques apparaissent sous forme de malaises, vomissement, nausées. La peau peut aussi être brûlée. Les défenses immunitaires peuvent être réduites. Des cancers peuvent apparaître, tels que la leucémie, de manière d’autant plus probable que l’irradiation est forte ;
- au niveau génétique, une personne irradiée ou contaminée peut devenir stérile ou subir des dégâts graves : modification de l’ADN (mutations génétiques) ou des chromosomes.
La radioprotection est l’ensemble des mesures qui tendent à protéger les personnes des irradiations ou des contaminations. Il faut agir sur tous les points possibles en éloignant la source des techniciens, en réduisant la dose reçue et la durée d’exposition. Le personnel travaillant dans un environnement de sources nucléaires (médecine ou centrale nucléaire) doit porter des vêtements protecteurs et se tenir à l’abri derrière des écrans sûrs (utilisation de plomb). Le travail à proximité de la source doit être limité dans le temps. De plus, un compteur de dose absorbée est accroché aux vêtements.