Plan détaillé sur le développement de la médecine nucléaire et la compréhension de la radioactivité

En quoi le développement de la médecine nucléaire est-il intimement lié à la compréhension de la radioactivité ? 

Le but est de faire le lien entre les avancées scientifiques depuis la découverte de la radioactivité et les innovations technologiques en matière de diagnostic médical, de radiothérapie et de radioprotection.​

I. Présentation d'une question (5 minutes)

Introduction

Accroche

Tout commence à l’Académie des sciences le lundi 24 février 1896. Ce jour-là, Henri Becquerel présente sa découverte d’un rayonnement hyperphosphorescent issu de l’uranium. C’est ce sujet que Marie Curie choisit en 1897 pour sa thèse de doctorat. Elle montre les propriétés ionisantes de l’hyperphosphorescence, qu’elle renomme radioactivité.

Présentation du sujet

On connaît aujourd’hui ses applications médicales pour diagnostiquer des cancers et les soigner. En quoi le développement de la médecine nucléaire est-il intimement lié à la compréhension de la radioactivité et à sa modélisation ?

Annonce du plan

Pour répondre à cette question, je parlerai d’abord de la naissance de la médecine nucléaire en lien avec les progrès de la physique. Puis, à partir de l’exemple de la tomographie par émission de positons (TEP), j’expliquerai pourquoi la mise en œuvre de cette imagerie nécessite l’utilisation de fluor 18 et j’évoquerai la question de la mesure de la dose à injecter au patient.

1) Quelques repères d'histoire des sciences

Ce qui marque les prémices de la médecine nucléaire, c’est la découverte en 1934, par Irène et Frédéric Joliot-Curie, de la radioactivité artificielle. La production de radio-isotopes artificiels permet les premières applications cliniques. Ainsi l’iode 131, radioélément ${\beta} ^ -$ de demi-vie 8 jours, est utilisé dès 1942 dans le traitement du cancer de la thyroïde.

Les années 1950-1960 voient la mise au point des premières scintigraphies. La médecine nucléaire naît officiellement au début des années 1970.

Transition 

La TEP est un bel exemple d’imagerie médicale par injection d’un produit radioactif, en général le fluor 18.

2) Principes de la TEP

Du ¹⁸FDG, c’est-à-dire du glucose marqué par du fluor 18, est injecté par voie intraveineuse au patient. Le glucose est absorbé par les organes énergivores comme le cerveau et le cœur, mais surtout par les cellules cancéreuses qui ont besoin d’énergie pour se multiplier.

Pourquoi choisit-on le fluor 18 ?

Il y a trois raisons essentielles à cela.

1. Le fluor 18 est un émetteur ${\beta} ^ +$. C’est une condition indispensable pour une TEP car le positon émis lors de la désintégration s’annihile avec un électron des tissus du patient en produisant deux photons γ émis dans des directions opposées. Ces deux photons sont reçus par un système de capteurs disposés en anneau tout autour du patient. Cela permet de localiser précisément la tumeur cancéreuse et d’en obtenir une image en 3D.
2. La demi-vie du fluor 18 est d’environ 2 heures. Cela est assez court pour que le patient ne soit pas exposé aux radiations trop longtemps, et assez long pour la mise en œuvre de la tomographie, qui dure plusieurs heures.
3. Le noyau issu de la désintégration du fluor 18 est l’oxygène 18, qui est stable. Cela est fondamental pour ne pas accroître l’irradiation du patient.

Conseil 

Joins le geste à la parole pour montrer les directions d’émission des photons, puis l’anneau de capteurs.

Comment savoir quelle dose injecter au patient ?

Pour répondre, je vais utiliser la notion d’activité radioactive car c’est la grandeur qui doit être mesurée. Les médecins estiment qu’il faut injecter au patient une activité de 7 MBq par kilogramme de masse corporelle, environ deux heures avant le début de la TEP. Ainsi pour un patient de 70 kg, il faudra injecter une activité de 490 MBq. Le préparateur doit donc prélever la solution de ¹⁸FDG et vérifier avec un compteur de radioactivité que l’activité de la solution contenue dans la seringue est conforme à la valeur attendue. Bien sûr, tout cela doit être réalisé en se protégeant au maximum des rayonnements ionisants.

Conclusion

Bilan

Je conclurai mon exposé en pointant l’importance de la recherche fondamentale en physique. C’est grâce aux travaux sur la radioactivité, de la famille Curie en particulier, dès la fin du XIX^e siècle et jusqu’à la Seconde Guerre mondiale, qu’est née la médecine nucléaire. Les techniques de diagnostic du cancer et de radiothérapie ont depuis prodigieusement progressé grâce aux modèles développés par les physiciennes et les physiciens.

Ouverture

Toutes ces avancées fondamentales et appliquées ont aussi permis d’améliorer la compréhension des dangers liés aux rayonnements ionisants.

II. Échange avec le jury (10 minutes)

Voici quelques-unes des questions que le jury pourrait poser en lien avec ta présentation ainsi que des réponses possibles. N’oublie pas qu’on peut t'interroger sur d’autres thèmes du programme. 

Le neutron a été découvert en 1932, plusieurs années après l’électron et le proton. Comment expliquez-vous cette découverte tardive ? 

L’électron et le proton sont des particules chargées : elles peuvent donc être accélérées et déviées par un champ électrique. C’est pourquoi elles peuvent être mises en évidence plus facilement que le neutron, une particule neutre.

Conseil

Ici, le jury veut vérifier que tu as une connaissance précise de la structure de l’atome et de la déviation des particules chargées par un champ électrique.

Vous avez évoqué la demi-vie radioactive et l’activité radioactive. Comment se définissent ces deux grandeurs ? L’activité est-elle dépendante de la valeur de la demi-vie ?

La demi-vie radioactive $t_{1/2}$ est le temps nécessaire pour qu’un nombre $N$ de noyaux radioactifs soit divisé par $2$. L’activité $A$ est le nombre de désintégrations par seconde ; elle est proportionnelle au nombre $N$. La relation entre $A$ et $N$ est : $A=\lambda N$. D’après la relation $t_{1/2}=\dfrac{ln2}{\lambda}$, la constante radioactive $\lambda$ est inversement proportionnelle à la demi-vie. L’activité dépend donc de la valeur de la demi-vie. Plus la demi-vie est petite, plus l’activité est grande – autrement dit, plus le nombre de désintégrations par seconde est important.

Les différents types de radioactivité ont-ils tous la même origine ?

Il faut distinguer les radioactivités $\alpha$, ${\beta} ^ -$et ${\beta} ^ +$, dont l’origine est la désintégration spontanée d’un noyau avec émission d’une particule chargée (noyau d’hélium, électron ou positon), et la radioactivité $\gamma$ qui résulte de la désexcitation d’un noyau avec libération d’énergie sous forme d’un photon $\gamma$ associé à un rayonnement électromagnétique de très haute fréquence.

III. Échange sur le projet d'orientation (5 minutes)

Comment avez-vous choisi le sujet de votre exposé ? Celui-ci est-il en lien avec votre projet d’orientation ?

Je suis passionné par l’histoire de la physique. La radioactivité étudiée dans le programme d’enseignement scientifique de 1^re et dans le programme de spécialité de physique-chimie de T^le m’a beaucoup intéressé. Comme j’envisage de devenir médecin, sans avoir une idée précise de la spécialité que je choisirai, ce sujet m’a semblé bien adapté à mes centres d’intérêt et à mon souhait de poursuite d’études.

À noter

Cette réponse n’est qu’un exemple et bien d’autres arguments auraient pu être avancés : intérêt pour la recherche scientifique, souhait de devenir manipulateur en radiologie, oncologue ou ingénieur en physique nucléaire…