Physique pour la médecine

...la théorie!

Radiothérapie

Chapitre II: Faisceaux externes.

 

 

II.A. Propriétés des faisceaux de photons.

 

1) Gammes d'énergie.


Les faisceaux externes de photons durs utilisés en radiothérapie proviennent de sources radioactives, de tubes à rayons X ou d'accélérateurs linéaires (linacs) conçus pour la médecine.

On connaît aussi le rayonnement synchrotron, mais celui-ci est essentiellement un outil de recherche. Un synchrotron est un anneau de grande taille où circulent des protons de haute énergie. Comme leur trajectoire est incurvée, ils émettent par la tangente un rayonnement de freinage, ou bremsstrahlung. Un exemple bien connu est l'ESRF de Grenoble (European synchrotron radiation facility).

Les sources radioactives de type gamma émettent des faisceaux monoénergétiques ou composés de deux ou trois énergies très précises. Les tubes à rayons X et les linacs délivrent quant à eux des faisceaux obtenus par freinage de particules chargées dans un matériau cible de Z élevé, normalement du tungstène. Ces faisceaux présentent un spectre d'énergie continu de type bremsstrahlung auquel se superpose éventuellement, à basse énergie, des raies caractéristiques du matériau cible, et filtré par le passage au travers de ce matériau cible (voir la discussion dans le sujet radiologie, chap.I.C). Parce que ce spectre est continu, il est d'usage de le caractériser non pas par une valeur d'énergie en eV, mais par un voltage qui est en fait la tension d'accélération des particules chargées qui ont généré les photons, et qui correspond donc à l'extrémité haute du spectre émis.

Pour des raisons historiques on distingue la gamme dite orthovoltage, qui s'étend de 150 à 500kV, et la gamme dite mégavoltage, qui s'étend de 1MV à 25MV. L'orthovoltage est le domaine des tubes à rayons X de haute tension, jusqu'à 400kV en tout cas. Les faisceaux ne sont pas très pénétrants mais ils permettent néanmoins de traiter la peau ou des lésions situées à 2 ou 3cm de profondeur. Entre 400kV et 4MV on trouve surtout des sources gammas. Au-delà, et jusqu'à 25MV environ s'ouvre le domaine des linacs, qui fournissent des faisceaux très pénétrants capables de traiter l'ensemble des organes et qui présentent en outre l'intéressante propriété d'épargner la peau (skin sparing effect).

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Chapitre II: Faisceaux   externes.

 

 

II.B. Propriétés des faisceaux d'électrons.

 

1)Formation du faisceau

 

Les linacs, dont la technologie est exposée au chapitre III, permettent normalement d'accélérer des électrons sous plusieurs valeurs d'énergie allant de quelques MeV à 20 ou 25MeV. Le faisceau de sortie est un pinceau fin, et ce même après passage par la fenêtre de sortie de la machine, plaque qui isole de l'air extérieur le volume interne où règne le vide. Pour parvenir à traiter une surface convenable au niveau du patient, on peut songer à guider ce pinceau selon deux directions x et y, comme cela se fait dans les anciens tubes TV de type cathodique où partant d'un point source on éclaire tout l'écran, à ceci près que nous sommes ici à un tout autre niveau d'énergie et que les champs magnétiques capables de dévier les particules sont autrement élevés. La préférence va alors à un élargissement du pinceau électronique par passage au travers d'un diffuseur, simple plaque métallique de Z plutôt élevé (une particule légère est facilement déviée par un noyau lourd) où, par collisions dans la matière, les électrons voient leur trajectoire plus ou moins déviées et où donc les trajectoires parallèles de départ se voient éclatées dans un cône d'émission vers l'avant. Un diffuseur comprend normalement une deuxième plaque situé à quelque distance de la première: Entre les deux plaques le premier cône tend à s'ouvrir, par simple propagation géométrique, et sur la deuxième plaque chaque point d'impact génère à son tour un nouveau cône d'émission. Il est à noter que le passage au travers de cet élément s'accompagne d'une perte d'énergie pour les électrons ainsi que de l'émission vers l'avant de rayonnement de freinage, peu abondant mais bien présent.

Le diffuseur est monté sur un barillet où se trouve également la cible servant à générer un faisceau de rayons X, cible de tungstène plus épaisse quant à elle. La rotation de ce barillet permet de passer du mode photons au mode électrons, et inversement.

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Chapitre II: Faisceaux   externes.

 

 

II.D. Propriétés des faisceaux d'ions.

 

1) Concernant l'hadronthérapie.


En physique la famille des hadrons rassemble les particules qui sont sensibles à l'interaction forte et qui sont en fait constituées de quarks. Cela comprend les mésons (un quark et un antiquark) et les baryons (trois quarks). Les seuls membres de la famille qui existent de manière stable dans la matière sont les nucléons, le proton et le neutron, qui sont des baryons. Pour générer les autres il faut fournir au moins l'énergie E=mc² équivalente à leur masse, puis de l'énergie cinétique. Pour cette raison, le seul hadron autre que le nucléon dont on pourrait envisager l'usage pratique est le méson π, ou pion, de masse proche de 140MeV/c² (A l'origine d'ailleurs, le mot méson voulait dire "de masse intermédiaire entre l'électron et le proton", mais ce n'est plus ainsi qu'il faut le comprendre aujourd'hui). Il y a eu des études et même un début d'utilisation thérapeutique de faisceaux de pions, mais l'avenir dira si ce mode d'action peut se trouver un créneau intéressant.

Les faisceaux de neutron ont été étudiés et utilisés en radiothérapie dès les années quatre-vingts, mais cette option s'efface aujourd'hui devant la solution protons étant donné que ces faisceaux sont plus difficiles à maîtriser et à conformer en dose. Par ailleurs la physique des interactions des neutrons est très différente de celle des particules chargées, avec des profils de dose très proches finalement de ceux des photons de haute énergie. Il est donc difficile d'y voir une technique apparentée à celle des autres hadrons.

Par contre il est d'usage en radiothérapie de voir comme hadrons les noyaux atomiques, ce qui n'est pas incohérent avec la définition de base. L'utilisation de cyclotrons ou de synchrotrons pour la production de faisceaux d'ions, ions plutôt légers dans le cas qui nous occupe, est maîtrisée depuis longtemps. Il y a eu ainsi quelques essais de thérapie basés sur l'hélium-4, en fait donc la particule alpha, mais c'est l'ion 12C qui semble le plus prometteur et qui est tout proche de suivre le proton en termes de centres d'application.

En résumé, le mot "hadronthérapie" couvre un champ assez large… qui en pratique se réduit pour certains auteurs aux ions légers, pour d'autres aux protons et aux ions 12C.

 

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Radiothérapie

Chapitre II: Faisceaux   externes.

 

 

II.C. Propriétés des faisceaux de protons.

 

1) Formation du faisceau.


Les faisceaux de protons sont produits par des cyclotrons ou des synchrotrons, machines dont le principe est exposé par ailleurs. Il s'agit là d'équipements d'un autre ordre de grandeur que les linacs utilisés pour générer des électrons ou des rayons X, ce qui ne les rend accessibles en pratique qu'aux centres hospitaliers de grande taille. La protonthérapie comme la neutronthérapie ont d'ailleurs débuté dans des centres de recherche en sciences physiques qui voyaient là une application intéressante de leur expertise. Dans les années 90 et au début du siècle sont apparus des systèmes compacts et économes en énergie, conçus au départ pour la production de radio-isotopes mais qui ont permis très vite d'entrevoir une extension relative de ce type de radiothérapie. C'est le couplage de ces innovations avec les récents et remarquables progrès de l'imagerie médicale qui fait qu'à l'heure actuelle (2013) la protonthérapie apparaît comme une technique particulièrement efficace et à l'avenir prometteur.

Un cyclotron dédié à cet usage peut monter typiquement à 230 ou 250MeV en énergie proton. A 250MeV le parcours des protons dans l'eau est de 38cm. A 200MeV il est de 26cm, ce qui convient déjà pour des traitements très en profondeur. Il est de 15,8cm à 150MeV, 7,7cm à 100MeV et 2,2cm à 50MeV. Le courant faisceau peut atteindre quelques
centaines de nanoampères.

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