4 . Les effets biologiques

des rayonnements ionisants

Dès la découverte des rayons X par Röntgen et la découverte du

polonium et du radium par P et M Curie, l’application des rayons

X en radioscopie et radiographie a révélé des effets

dommageables.

Pierre Curie avait observé que les

rayonnements du Polonium et du radium

déposés sur la peau provoquaient des

brulures analogues aux coups de soleil

On observa rapidement que les

radiologues subissaient des

dommages par les rayons X .

On observa aussi que les cellules qui se reproduisaient

rapidement étaient plus sensibles d’où l’idée de la

radiothérapie pour le traitement des cancers.

Radiographie des poumons

par le Dr Béclère en 1896.

On peut voir le tube

générateur de rayons X

devant le patient

Les rayonnements ionisants :

Les particules ou rayonnements résultant de la radioactivité

ont une énergie suffisante , plus d’une dizaine d’électron volt

(eV), pour ioniser des atomes ou modifier des liaisons

chimiques des cellules.

- Particules alpha α noyau d’hélium ( 2 protons et 2 neutrons)

énergie de l’ordre du MeV

- Particules béta β électron ou positon KeV et MeV

- rayonnements électromagnétiques rayons X KeV et gamma

γ de l’ordre du MeV

- Les rayonnements électromagnétiques d’énergies

inférieures à 10 eV (ou longueurs d’ondes supérieures) n’ont

pas d’effet ionisants mais effets d’excitation UV, micro

ondes …..

eV keV MeV

gammagraphie

Radiographie X

Les effets biologiques des rayonnements ionisants ont

été étudiés depuis le début du 20 ème siècle; les bases

sont :

- Des expérimentations en laboratoires .

- Les expositions des radiologues au début du 20 ème

siècle.

- Les variations de la radioactivité naturelle dans le

monde plus d’un facteur 10 entre des terrains

sédimentaires et des zones riches en matériaux

naturels radioactifs ou encore fonction de l’altitude.

- Les survivants Hiroshima et Nagasaki.

Les premières normes ont été établies dans les années

1928 par une commission internationale (CIPR) fondée

sur les informations obtenues par les effets chez les

radiologues notamment.

Les unités

Radioactivité:

le Becquerel ( Bq) une désintégration par seconde

le Curie (Ci) nombre de désintégrations par

seconde dans un gramme de radium 3,7 1010

Bq

Le corps humain contient en permanence de l’ordre de 8 000

becquerels.

Exposition en relation avec les effets sanitaires:

Dose: Gray ( Gy) énergie transférée à la matière

Sievert ( Sv) effets biologiques

anciennes unités: Rad =1/100 Gy

Röntgen : R ou Rem =1/100 Sv

Débit de dose: Gray/h (Gy/h)

effets biologiques: Sievert/h ( Sv/h)

Gray et Sievert sont de très grandes unités; on utilise plus

fréquemment mGy et mSv voir μGy et μSv soit 1 millième(m)

et 1 millionième(μ, micro).

Facteur de

sensibilité

des tissus

Facteur de

pondération

pour la nature

des

rayonnements

Passer du becquerel

à l’évaluation d’un impact

biologique

Bq Sv Gy

Effets somatiques Effets différés

Effets immédiats

Exemples

de doses

Les variations mondiales des expositions

naturelles ont été étudiées pour fixer les normes

concernant les effets stochastiques (risque

génétique).

Les variations résultent principalement de la

nature des sols (minerais, radon).

E n France

2,5 mSv

Valeurs moyennes en mSv et expositions maximales ( ) naturelles

dans le monde – moyenne en France 2,5mSv

Les populations les plus exposées naturellement ont été étudiées et

il n’a pas été observé d’anomalie génétique en excès.

Incidence de la radioactivité naturelle

dose de rayonnement et débit de dose

La dose est le débit de dose multiplié par le temps d’exposition.

L’impact biologique est lié à la dose et au débit de dose.

Les organismes vivants ont la capacité de réparer l’effet des

rayonnement mais à partir d’une certaine intensité ce

mécanisme est dépassé.

Il faudra donc tenir compte des deux données, l’intensité des

rayonnements et le temps d’exposition.

L’impact sanitaire de l’exposition devra aussi prendre en compte

l’organe exposé, la nature du rayonnement, l’étendue de

l’organisme exposé:

- Les mains, les membres sont moins sensibles que les organes

de reproduction . Les yeux ne sont pas protégés par la peau.

etc Les cellules dont le renouvellement est rapide sont plus

sensibles .

Tous ces aspects sont à prendre en compte pour la fixation des

normes d’exposition aux rayonnements et les conséquences

engagées pour une exposition.

Des mécanismes de protection cellulaire

Comment peut-on être exposés à la radioactivité?

Irradiation – contamination

On dit qu’il y a irradiation ou risque d’irradiation (externe) quand la matière

radioactive n’est pas en contact avec la personne exposée.

Il y a contamination externe quand la matière radioactive est en contact

avec la peau; par une blessure la matière peut pénétrer dans l’organisme et

devenir interne ; le tritium gazeux (T2) traverse la peau par diffusion et

induire une contamination interne.

Il y a contamination interne quand la matière radioactive a été respirée ou

ingérée et s’est fixée dans l’organisme.

Pour l’exposition naturelle nous sommes exposés par:

-la radioactivité des sols et matériaux de construction et les rayons

cosmiques ((irradiation externe)

-la radioactivité de l’air que nous respirons (contamination interne)

-par la radioactivité des aliments que nous consommons (contamination

interne).

Irradiation externe contamination interne

contamination externe

Analogies

Irradiation externe : brulure par le coup de

soleil mais plus profonde

Contamination externe : les travaux de

peinture

Contamination interne: les poussières de

combustion, les solvants de bricolage…

Les rayons X sont arrêtés par quelques mm de plomb ou

équivalent en masse.

Pour les neutrons c’est plus complexes car ricochets

(épaisseur comme gamma avec chicanes).

Différents rayonnements et caractéristiques

Barrières – Protections physiques

α β

γ

L’irradiation externe provient principalement des appareils

ou matières émettrices de radioactivité X ou gamma ou

neutrons : Sources radioactives concentrées, générateurs

de rayons X , réacteurs nucléaires et matériaux exposés à

des neutrons.

Les sources d’irradiation seront caractérisées par la nature

de (ou des) l’isotope, par leur radioactivité exprimée en Bq

et par leur intensité exprimée en Sievert par heure Sv/h à

une unité de distance. La dose pour comparer aux normes se

déterminera en multipliant l’intensité par le temps

d’exposition donc on aura un nombre en Sievert (Sv). Une

source de cobalt 60 de 1 Ci (37 milliards de becquerels),

délivre une dose (γ) de 10 mSv par heure à 1 m.

Les émissions alpha ou béta sauf cas très particuliers ne

présentent pas de risques d’irradiation externe car peu d’écran

suffit à arrêter ces particules.

La contamination externe

A l’occasion des manipulations de matières radioactives des

matières peuvent être déposées sur la peau, sur les

vêtements puis des vêtements sur la peau par mauvaises

conditions de déshabillage; il s’agit de contamination externe.

Si les quantités sont importantes cette contamination peut

irradier la peau ou plus profondément selon le type d’isotopes.

Il faut évidemment se contrôler scrupuleusement après toute

manipulation ou en sortie des zones d’opération. Un lavage

soigneux enlève ces matières.

. Le tritium est un cas particulier car il peut diffuser à travers

la peau.

Il faut appliquer des règles d’habillage, de déshabillage,

pratique de travail méthodiques: analogie travaux de

peintures.

La contamination interne

Si la matière radioactive pénètre dans l’organisme il y a

contamination interne.

Elle pénètre:

- par les voies respiratoires

- par ingestion d’aliments ou de boisson

- à travers la peau, cas du tritium, ou par blessure.

Chaque isotope selon sa nature physico-chimique va suivre

une voie biologique spécifique : les poumons, le sang, la

thyroïde (iode), les reins, les muscles, les os (calcium) ….

Pour déterminer l’impact sanitaire il faudra donc connaitre le

radio-isotope en cause.

Le tritium oxydé est en pratique de l’eau au point de vue

chimique et biologique; il se dilue dans tout l’organisme

sachant que les tissus contiennent de l’ordre de 65% d’eau.

La radio toxicité et les normes pour la

contamination interne

Pour calculer une dose par contamination interne, il faut connaitre le

radio-isotope en cause, suivre son parcours dans l’organisme, sa

durée de séjour.

Chaque radio-isotope a ses caractéristiques d’action biologique:

- du fait de la nature et l’intensité de ses rayonnements (X,α,β,γ,

neutron…)

- du fait de sa période radioactive T

- du fait de sa nature chimique et de l’appel de l’organisme( iode,

calcium…)

- du fait de son état moléculaire (lié ou non, complexe oxydant,

réducteur, ..

- Chaque isotope aura son temps de séjour lié à sa chimie et biologie;

On détermine sa période biologique c’est-à-dire le temps qu’il faut

pour éliminer la moitié de la quantité de l’élément contenue dans

l’organisme.

- Le tritium sous forme eau(T2O) a une période biologique Tb de

l’ordre de 10 jours alors que la période radiologique Tr est de

13,27 ans

- pour évaluer l’impact sanitaire à comparer aux normes il existe des

tables qui donnent la dose engagée pour une quantité de

radioactivité mesurée d’un isotope.

Le calcul de la dose consécutive à la contamination

interne se basera sur la période effective de séjour de la

radioactivité dans l’organisme Teff

Et on a la relation 1/Teff = 1/Tb + 1/Tr

Tr étant la période radioactive de l’isotope en question

Tb étant la période biologique .

isotope Tr Tb Teff

Tritium 12 ans 10 jours (organisme entier)

10 jours

Iode 131 8 jours 30 jours (thyroïde) 6,3 jours

Plutonium 239 24110 ans 100 ans (os) 100 ans

On peut modifier la période biologique et donc diminuer la dose subie

en ingérant des produits qui accélèrent l’élimination (chélateurs ) :

DTPA (acide diéthylène triamine penta-acétique) pour plutonium,

américium, curium, fer et cobalt, eau, bière pour le tritium,

13,27 ans

Effets biologique: période effective

1 Gy = 1000 mGy environ 1000 mSv en X et gamma

En radiothérapie la dose est localisée le plus possible sur la tumeur

autour de 50 Gy pour la détruire sans endommager le voisinage.

Exposition naturelle moyenne en France pendant un an 2,5 mSv

Effets d’une irradiation aigüe sur un organe

radiothérapies

La protection :

- L’exposition irradiation externe cesse dès que l’on sort du

champs des rayonnements comme pour l’exposition au soleil.

- L’intensité diminue par l’éloignement de la source selon

l’inverse du carré de la distance ( loi en 1/d2).

- L’interposition d’un écran diminue l’intensité du

rayonnement.

- Par une préparation du travail minutieuse on réduit le temps

d’exposition .

-On peut répartir la dose en faisant intervenir successivement

plusieurs opérateurs.

- Si le rayonnement est élevé on peut travailler par

télémanipulateur ou robot.

- on peut suivre l’accumulation de dose en cours d’exposition

et après grâce à des dosimètres individuels avec alarme.

L’irradiation externe peut être généralisée à tout l’organisme

mais peut être partielle ou localisée, par exemple en

manipulant de la matière radioactive à la main , ou aux yeux

pour les observations directes d’images rayons X ou défaut

localisé d’écran (trou dans un écran de protection par

exemple).

Pour la protection contre la contamination externe:

contrôles, lavage..

Pour la protection contre la contamination interne: zonage,

ventilation, contrôles, tenues de protection, appareil

respiratoire, scaphandre..

2 m 1 m

37 GBq

Co 60

γ1 1,17 MeV

γ2 1,33 Mev

10

mSv/h

2,5

mSv/h

Diminution selon le carré de la distance à la source

Sur toute la surface de la sphère(1/R2 )

Irradiation par une source radioactive

Protection alpha α et béta β

Une boite étanche, une ventilation sûre filtrée, des gants, un

SAS pour évacuation des déchets

Protection alpha α et béta β

Travail en scaphandre

écran

Contre l’irradiation externe

Télémanipulation

Contre

l’irradiation

externe

Robot

télécommandé