les rayonnements : Les unités de mesure et les doses

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L’activité d’une quantité de nucléide radioactif est mesurée en becquerel (Bq). Un becquerel correspond à la désintégration d’un atome par seconde (le becquerel est une unité de mesure de l’activité qui s’est substituée au curie (Ci) un curie correspondant à 37 milliards de becquerels). Compte tenu des quantités importantes de radioactivité émises par ces substances, on rencontrera plus souvent des multiples de cette unité et plus particulièrement le méga becquerel (MBq, 10⁶ Bq) le gigabecquerel (GBq, 10⁹ Bq) et le térabecquerel (TBq, 10¹² Bq). Les doses injectées à un patient pour des études d’imagerie sont de l’ordre de quelques dizaines à centaines de MBq.
Le rayonnement émis transfère une quantité d’énergie au matériau ou tissu qui l’absorbe. Cette quantité d’énergie est exprimée en grays (Gy), un gray valant un joule par kilogramme. Le gray mesure de la dose absorbée et remplace l’ancienne unité rad (1 Gy = 100 rads).
Il est possible de lier le rayonnement émis au rayonnement absorbé, mais l’équation doit tenir compte de l’énergie de la source, de la distance à la source, du temps d’irradiation et de la nature du rayonnement. Ces calculs sont simplifiés dans le cas d’une source absorbée (injectée ou avalée) car la presque totalité du rayonnement affectera les tissus avoisinant aussi longtemps que le radio-isotope n’aura pas décru ou ne sera pas éliminé biologiquement.
Comme il faut tenir compte de la nature du rayonnement et de ses effets sur les tissus, on corrigera la dose absorbée par un facteur de pondération qui permettra d’obtenir une dose équivalente, exprimée en sievert (Sv). Le sievert remplace l’ancienne unité rem (1 Sv = 100 rems).
L’homme ingère en moyenne 100 Bq de Carbone 14 par jour (période: 5730 années) et autant de Potassium 40. Ce dernier s’accumule dans les os et compte à lui seul pour à peu près 6000 Bq chez un adulte de 75 kg. En revanche, du fait du maintien en équilibre des différents sels dans les cellules humaines (phénomène d’homéostasie), le potassium ne s’accumule plus dans le corps humain d’un adulte, et sa teneur reste constant. En conséquence, la radioactivité moyenne du corps humain se situe aux alentours de 150 Bq/kg, ce qui fixe la radioactivité d’un individu aux alentours de 8 000 à 10 000 Bq.
Pour donner une valeur de l’effet de cette radioactivité sur l’homme, on comparera des doses équivalentes exprimées en sievert. L’ensemble des irradiations externes d’origine terrestre reçues par l’homme et dues à des éléments non ingérés, tels que la radioactivité du sol, compte pour environ 0,4 milli sieverts (mSv) sur une année. La partie ingérée, donc active à cent pour cent sur le corps intervient pour 0,3 mSv dont 0,18 uniquement liée au Potassium 40. L’homme inhale également des gaz radioactifs, en particulier le radon et ses descendants qui sont libérés par les matériaux radioactifs qui constituent nos constructions, tels que le granit. Ces gaz contribuent en totalité à notre irradiation interne et représentent entre 1 et 20 mSv sur une année suivant les endroits. Une valeur de 1,3 mSv est pris comme moyenne.
Le rayonnement cosmique contribue en moyenne en France à hauteur de 0,36 mSv pour notre irradiation annuelle, mais cette valeur est fonction de l’altitude. Elle varie de 0,3 mSv au niveau de la mer pour atteindre 2,0 mSv au sommet du Mont-Blanc. Les doses absorbées par les passagers d’un avion, et à l’extrême les astronautes deviennent encore plus fortes.
Le total de toutes ces valeurs moyennes est approximativement de 2.4 mSv, qui correspond à la dose moyenne reçue pendant une année par un individu européen vivant dans une région au sol sédimentaire, contenant peu d’éléments radioactifs, comme l’Ile-de-France ou la Belgique. On utilisera ce chiffre comme point de comparaison quand il s’agira d’évaluer les doses de radioactivité d’origine artificielle (médicale) auxquelles sont soumis les patients et qui seront données par la suite. Il est évident que ce chiffre est à moduler suivant que l’on habite à la mer ou à la montagne, sur un sol sédimentaire ou granitique, près d’un mine charbon ou d’uranium.
En particulier, comme il ne s’agit que de moyennes, on peut dans un premier temps déjà les comparer à certaines valeurs extrêmes de radioactivité d’origine naturelle auxquels sont soumis de façon quotidienne les habitants de certaines régions. En France, la radioactivité d’origine terrestre peut être quasiment nulle à certains endroits (0,05 mSv) et monter jusqu’à 1,5 mSv. En Bretagne ou en haute montagne, la moyenne annuelle se situerait plutôt aux alentours de 3,0 à 3,5 mSv. Au Brésil ou en Iran, les habitants vivant près de certaines zones naturellement concentrées en uranium ou en thorium peuvent accumuler jusqu’à 100 mSv par an. De même, les concentrations en radon peuvent faire monter les doses jusqu’à 500 mSv par an dans certaines caves non aérées. Pour ce qui est du rayonnement d’origine cosmique, des mesures plus précises ont été faites au niveau des populations habitant des villes en altitude. Les 20 millions d’habitants de Mexico situé à 2240 m d’altitude sont soumis à une dose annuelle de 0,82 mSv, alors que cette valeur atteint 1,7 mSv pour les 400000 habitants de Lhassa au Tibet à 3600 m et 2,0 mSv pour le million de Boliviens habitant La Paz à 3 900 m d’altitude.
Rappelons, à ce stade, que la différence entre naturel et artificiel, quand il s’agit de radionucléides, ne dépend que de leur existence sur la planète depuis sa création, donc de façon «naturelle» ou de leur production au moyen d’outils appropriés, donc depuis la fin des années 1930. En revanche, il n’y a aucune différence entre les rayonnements d’origine naturelle et ceux d’origine artificielle. Tous ces rayonnements produisent les mêmes effets sur la matière vivante ou inerte et les effets ne permettent pas de distinguer l’un de l’autre.
La découverte d’éléments radioactifs nouveaux (artificiels) est décrite en détail dans la partie historique. La radioactivité est une source d’énergie qui, comme toute autre source d’énergie (eau, feu, charbon, électricité…), peut être mise en œuvre pour sa caractéristique utilitaire et bienfaitrice ou, à l’opposé, destructrice. Ainsi, le développement de la physique nucléaire a aussi bien conduit à la mise au point de nouvelles armes que de moyens originaux pour traiter efficacement des patients atteints de certaines maladies classées incurables.
Le fait est que cette radioactivité d’origine artificielle a fait son apparition sur la planète plutôt récemment et doit être prise en .compte dans le calcul des doses accumulées annuellement. Ainsi, les essais nucléaires aériens réalisés dans le passé comptent pour une valeur moyenne de 0,10 mSv annuelle par individu auxquels on rajoute 0,02 mSv en moyenne dû à l’ensemble des activités industrielles nucléaires, production d’électricité incluse. La médecine nucléaire et l’imagerie médicale, incluant aussi la radiographie pulmonaire, contribuent en moyenne à 1,00 mSv dans la dose annuelle reçue par un individu. En conséquence, il faut ajouter en moyenne 1,10 mSv de radioactivité artificielle à la dose de radioactivité naturelle calculée ci-dessus. De même que pour la radioactivité naturelle, il faut moduler ces valeurs suivant que l’on réside près d’une centrale nucléaire ou que l’on travaille dans un service de radiologie.
Dans la réalité, pour le grand public qui n’a pas de contact direct avec la radioactivité produite par l’industrie nucléaire, les doses les plus importantes sont donc absorbées au cours des examens médicaux. Une radiographie pulmonaire soumet le patient à une dose équivalente de l’ordre de 0,2 à 0,4 mSv. L’amélioration de la technologie à permis de réduire dans les quarante dernières années cette dose d’un facteur 20. En comparaison, un scanner abdominal soumet le patient à une dose dix fois plus forte, alors qu’une radiographie dentaire correspond à environ 0,002 mSv en dose efficace par cliché.
En médecine nucléaire, technique au cours de laquelle le composé radioactif est injecté, on s’attend à des valeurs bien plus fortes, mais elles restent en réalité limitées. La détermination en est très difficile, car elle est fonction de la distribution de la substance radioactive dans les différents organes. La dose équivalente est estimée à quelques milli sieverts et reste inférieure à la dizaine de milli sieverts pour une scintigraphie myocardique. Dans ces cas également, l’amélioration des technologies d’imagerie, en particulier au niveau de la sensibilité des détecteurs, a permis depuis les années cinquante, pour un examen équivalent, de diviser par dix à cent la dose équivalente à laquelle est soumise le patient.
En revanche, la thérapie ne se fixe pas de limitation dans la mesure où l’objectif affiché est de détruire les cellules cancéreuses. Bien contrôlées, les méthodes de radiothérapies permettent d’administrer l’équivalent de dizaines de sieverts, confirmant que la radioactivité à hautes doses permet de sauver des patients.