Médecine nucléaire
La médecine nucléaire utilise des radioéléments (appelés aussi radionucléides ou radioisotopes) afin de diagnostiquer ou guérir des maladies.
Les radioéléments sont des éléments radioactifs, c’est-à-dire que leur noyau est instable et se désintègre au bout d’une certaine durée en produisant un rayonnement très énergétique.
Partie 1: Retour sur la
scintigraphie (tomographie) C’est une technique d’exploration du corps humain qui permet de diagnostiquer des maladies grâce à des radioéléments
L’examen consiste à injecter une substance
chimique convenablement choisie dans le corps du patient :
Elle doit contenir des atomes dont les noyaux radioactifs se désintègrent. Ces désintégrations conduisent à de nouveaux noyaux et particules de natures différentes et à l’émission d’ondes électromagnétiques appelées rayonnements gamma γ. Une exposition trop importante à ces rayons (irradiation) peut conduire à des effets somatiques (maux de tête, vertiges , nausées…) et à des effets génétiques ( mutation des cellules, cancer…).
Une caméra spéciale appelée « gamma caméra » capte ce rayonnement, on peut ainsi constituer une image des organes considérés.
Cette substance doit se fixer sur les organes que l’on souhaite observer.
Quelques heures (voire un ou deux jours) après l’injection, la caméra ne doit plus détecter de rayonnement : la radioactivité doit donc être très faible.
1/ Qu’y a-t-il de surprenant dans cet examen scintigraphique (et dans la médecine nucléaire en général) ?
On utilise des produits radioactifs (radioéléments) qui ont tendance à engendrer des cancers et des maladies graves.
(Pensez à Fukushima et Tchernobyl)
2/ Quelles sont les trois principales caractéristiques de la substance chimique à injecter justifiant le terme
« convenablement choisie ».
1
èrecaractéristique : Elle doit être radioactive (c’est-à-dire qu’elle doit se désintégrer naturellement et produire des rayonnements)
2
èmecaractéristique : Elle doit se fixer sur les organes voulus.
3
èmecaractéristique : La radioactivité doit être faible au bout de quelques jours.
3/ Parmi ces trois critères, quel est celui qui justifie que cet examen présente finalement peu de danger ? La radioactivité doit être faible au bout de deux ou trois jours (Savez-vous que nous somme radioactifs) 4/ Placer sur l’axe les rayonnements suivants : Rayon X, UV, IR, visible et radio (ou micro-ondes).
5/ Parmi ces rayonnements, quels sont les deux plus dangereux ? Argumente la réponse.
Ce sont les rayons cosmiques (ou radioactifs) car ils ont une grande fréquence, donc une grande énergie.
6/ Sachant que le rayonnement gamma γ est le rayonnement le plus dangereux, placer celui-ci sur l’axe.
Les rayons gamma
γsont situés le plus à droite (catégorie des rayons cosmiques et radioactifs)
Partie 2 : Scintigraphie de la thyroïde
Lors d'une scintigraphie de la glande thyroïde, on injecte un isotope particulier de l'iode dans le corps du patient par intraveineuse. La thyroïde fixe l’iode injecté en 2 h environ. Il existe plusieurs isotopes de l’iode qui émettent un rayonnement gamma γ en se désintégrant. Les graphiques ci-dessous représentent le nombre de noyaux d'iode qui ne se sont pas encore désintégrés en fonction du temps :
1/ Donne la composition des différents noyaux d’iode dont le numéro atomique est Z = 53
Isotopes de l’iode Iode 120 Iode 123 Iode 137
Nombre de masse A 120 123 137
Nombre de protons Z 53 53 53
Nombre de neutrons N 67 70 84
Symbole du noyau
AZX
I
I
I
2/ Donne une définition du mot isotope.
Les atomes qui ont le même numéro atomique Z mais pas le même nombre de masse A sont des isotopes.
Autrement dit, tous les atomes ayant le même Z mais des nombres de neutrons différents sont des isotopes.
3/ Lequel de ces trois noyaux semble le mieux adapté à l'examen par scintigraphie de la glande thyroïde ? Justifie la réponse en argumentant .
La majorité des noyaux doit avoir fortement disparu au bout de quelques heures.
I se désintègre très lentement,
I se désintègre beaucoup trop rapidement (pas le temps de faire l’examen) : Il n’y a que l’iode
I qui correspond parfaitement aux attentes.
Chaque noyau radioactif est caractérisé par sa demi-vie notée t½ : C’est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs a disparu.
Par exemple, si au départ il y a 100 000 noyaux d’iode, on regarde la durée qu’il faut pour qu’il n’en reste que 50 000.
Pour chaque isotope correspondant aux courbes ci-dessus, indiquer la valeur de la demi-vie t1/2 .
Isotope de l’iode Iode 120 Iode 123 Iode 137
t
Partie 3 : La médecine nucléaire pour guérir et diagnostiquer
Les rayons X ont été découverts en décembre 1895 et ont été immédiatement utilisés pour « voir à travers le corps humain ». Pierre Curie fut un des premiers à penser, en 1901, que les rayons des corps radioactifs, en particulier ceux du radium 226
88Ra provoquant des brûlures, pouvaient être utilisées à des fins thérapeutiques, parallèlement aux rayons X. La radiothérapie, qui comme son nom l’indique soigne avec les rayonnements, est née…
Il se trouve que les cellules cancéreuses sont plus sensibles aux rayonnements gamma γ que les cellules saines, c’est le fondement de leur utilisation dans le traitement des tumeurs. Les rayons gamma γ irradient de manière ciblée et peuvent sortir de l’organisme facilement pour être détectés.
La radiothérapie a utilisé les rayonnements gamma γ du radium 226
88Ra, plus énergiques donc moins absorbables que les rayons X, jusqu’à ce que ces derniers soient remplacés par ceux de radioéléments artificiels comme le 60
27Co jusqu’en 1940. Depuis 1940, ils ont été abandonnés au profit d’accélérateur de particules
La curiethérapie est une des plus anciennes applications de la radioactivité à des usages thérapeutiques. Des centaines de milliers de cancers ont été guéris par le radium 226
88Ra et les radioéléments iridium 192
77Ir et césium 137 55 Cs qui l'ont remplacé. Elle consiste à appliquer directement des sources radioactives au contact des cellules cancéreuses. (voir « photo des grains de Curie »)
Une variante moderne de la curiethérapie consiste à injecter un radioélément (surtout par intraveineuse, ou bien inhalation ou injection dans le liquide céphalo-rachidien) qui s’accumulera dans ces cellules malades.
Pour les cancers de la thyroïde, on utilise l’iode 131
53I qui émet des rayonnements destructeurs des cellules cancéreuses. Le phosphore 32 15P est utilisé pour diminuer l’excès de globules rouges (« maladie de Monge »). Pour les cancers de la prostate, on encapsule une petite quantité de radionucléides comme l’iode 125
53I ou le palladium 103
46Pd à l’intérieur d’une capsule en titane de la taille d’un grain de riz. Ces « graines » sont placées directement dans la prostate où elles demeurent en place. Depuis 2009, on a découvert que le cuivre 67
29Cu semble apporter de meilleurs résultats que ces deux radioéléments mais a une durée de vie très limitée.
La médecine nucléaire progresse et se développe : On dénombre actuellement en Europe 12 millions de procédures médicales (diagnostic et thérapie) utilisant des radioéléments, soit plus de 30000 procédures par jour ! 90 % des radionucléides produits sont utilisés pour diagnostiquer et 10 % pour soigner.
Arronax, un grand centre de production de radioéléments est né le 7 novembre 2008 à Nantes et alimente les hôpitaux en radioéléments
thérapeutiques et diagnostiques. La synthèse des radioéléments doit être réalisée sur site ou à côté de l’hôpital car la production doit être livrée rapidement par un transporteur agréé vu qu’ils ont une durée de vie limité à quelques heures. Les radioéléments se présentent essentiellement sous la forme de solutions injectables (flacons) ou encore sous la forme de gélules.
Arronax produit aujourd’hui de grandes quantités de technétium 99
43Tc (80% à 90 % des examens scintigraphiques) afin de réaliser des scintigraphies des poumons, des reins, des os ou du cerveau, de fluor 18
9F, du thallium 201
81Tl pour la scintigraphie du cœur et de l’iode 123
53I pour la scintigraphie de
la thyroïde. T. Leparoux
Questions :
1/ Quelles sont les 2 objectifs de la médecine nucléaire ? Diagnostiquer et soigner
2/ Quel est l’avantage des rayons gamma par rapport aux rayons X ?
Les rayons gamma « irradient de manière ciblée » et « sortent plus facilement de l’organisme pour être détectés » 3/ Quel a été le premier radioélément utilisé pour soigner ?
C’est le radium 226
88 Ra découvert par Marie et Pierre Curie en 1898. Imaginez-vous qu’il était au départ utilisé pour la lutte contre le cancer, les crèmes rajeunissantes, les rouges à lèvres, les cigarettes, les aiguilles de montres : enfin un peu partout avant d’être interdit en 1937.
4/ Dans le tableau ci-dessous, range les différents radioéléments selon leur utilisation en médecine nucléaire
Radioéléments utilisés pour soigner Radioéléments utilisés pour diagnostiquer
226 88Ra ; 137
55Cs ; 60 27Co ; 192
77Ir ; 125 53I ; 103
46Pd ; 32 15P ; 131
53I 201
81Tl ; 67 29Cu ; 123
53I ; 99 43Tc ; 18
9F
5/ En t’aidant du petit tableau des durées de demi-vies t½ , donne le point commun existe entre tous les radioéléments utilisés pour soigner et tous les radioéléments utilisés pour diagnostiquer (cela concerne le t½ )
)
Radioéléments 226
88Ra 137
55Cs 60
27Co 192
77Ir 125
53I 103
46Pd 32
15P 131
53I 201
81Tl 67
29Cu 123 53I 99
43Tc 18 9F
t
1/21600
ans 30 ans 5,27 ans
73,8 jours
42 jours
17 jours
14.28
jours 8 jours 72 h 61 h 13.2 h 6 h 1,83 h
Les radioéléments utilisés pour soigner ont des temps de demi-vies plus longues (au-delà de 8 jours) alors que les radioéléments utilisés pour diagnostiquer ont des durées de demi-vies plus courtes (inférieures à 3 jours) : Tout cela correspond avec la première partie sur la scintigraphie
6/ Donne la composition exacte d’un atome de
6729Cu (Z, A, N, nombre d’électrons).
A = 67 nucléons ; Z = 29 protons ; N = 38 neutrons ; Nombre d’électrons = 29 (autant que de protons)
Exercice: voici le tableau présentant les abondances relatives des différents isotopes naturels:
Complète le texte ci-dessous, en utilisant le tableau + la donnée : nucléon = 1,67 x 10-27 kg
Les isotopes naturels stables possédant 40 nucléons sont l’argon Ar, le potassium K et le calcium Ca.
Parmi ces isotopes, l’argon Ar possède 18 protons, le potassium K possède 19 protons et le calcium Ca possède 20 protons.
L’élément chimique naturel stable possédant 36 protons est le krypton Kr : Celui-ci est composé de 11,6 % de
8236Kr , de 11.5 % de
Kr , de 57,0 % de
8436Kr et de 17,3 % de
Kr ( il y a aussi un peu de
Kr et
Kr )
Les trois isotopes naturels stables possédant 10 neutrons sont le néon
Ne , le fluor
F , l’oxygène
O
Les 5 isotopes naturels stables dont le noyau contient 20 neutrons sont le
Ca ,
S ,
Cl ,
Ar et
K
Les trois isotopes stables du carbone sont le
C ;
C ;
C
Calculons maintenant la « masse moyenne » d'un atome de chlore, connaissant les % des différents isotopes.
Le pourcentage de
3717Cl est de 24.2 % et le pourcentage de
3517Cl est de 75.8 %
En négligeant la masse des électrons, on peut dire que la masse d’un atome de 3717Cl est de m (3717Cl) = 37 x 1.67 x 10-27 = 61.8 x 10-27 kg En négligeant la masse des électrons, on peut dire que la masse d’un atome de 3517Cl est de m (3517Cl) = 35 x 1.67 x 10-27 = 58.5 x 10-27 kg
