Physique pour la médecine

1)Caractère ionisant des particules.

Le premier principe de base de la radiothérapie s'énonce en une phrase: Il s'agit d'utiliser le caractère ionisant des rayonnements pour tuer des cellules malignes (le second principe, essentiel, demandera d'épargner au maximum les cellules saines). Cela peut se comprendre selon le schéma suivant: Une ionisation suppose l'éjection d'un électron de son orbite; si cet électron sert à une liaison moléculaire la molécule est brisée; si cette molécule ne peut se réparer, sa fonction dans la cellule est perdue; si une cellule perd ainsi une ou plusieurs fonctions vitales, elle souffre et en définitive peut en mourir.

Les propriétés ionisantes des différentes particules sont ici rappelées brièvement sachant que ce point est développé dans le sujet "radioprotection, chapitre I". Au passage on notera que radioprotection et radiothérapie se recoupent fréquemment, et ce par nature puisque toutes deux se préoccupent des dégâts provoqués dans les tissus, la première pour les contrôler, la seconde pour les exploiter.

Les particules chargées (électrons, positrons, protons, alphas, ions de toutes masses) sont directement ionisantes. Les ionisations se produisent aléatoirement tout au long de leur trajet dans la matière, ce qui épuise progressivement leur énergie et en définitive les arrête. La distance entre le point d'entrée et le point d'arrêt est leur "parcours". Le paramètre qui mesure la densité d'ionisation tout au long du chemin parcouru est le TLE, transfert linéaire d'énergie, égal par définition à la quantité d'énergie déposée par unité de longueur, donc au nombre d'ionisations par unité de longueur puisque chaque ionisation demande à peu près la même énergie estimée à quelque 34eV. Le TLE est typiquement (!!) de 0,2keV/µm pour les électrons et de 100keV/µm, beaucoup plus élevé donc, pour les particules alphas. Pour les particules lourdes le TLE présente en fin de parcours une forte augmentation nommée pic de Bragg. Cette particularité s'avèrera très importante en thérapie par protons ou ions plus lourds.

Les photons de haute énergie, rayons X ou rayons gammas, sont électriquement neutres et ne sont donc pas directement ionisants. Par contre, comme expliqué en radioprotection, les différents processus par lesquels ces photons interagissent avec la matière (effet Compton, effet photoélectrique, création de paires) génèrent tous des électrons de haute énergie qui se comportent eux comme décrit ci-dessus. C'est en ce sens que les photons sont dits indirectement ionisants. Le paramètre qui mesure la probabilité d'interaction des photons avec le milieu traversé est le coefficient d'absorption µ, ou ses dérivés comme la couche de demi-absorption CDA définie comme l'épaisseur qui absorbe la moitié de l'intensité d'un faisceau mono-énergétique (1CDA = ln2/µ).

Pour illustrer la différence entre particules chargées et photons, on peut imaginer pour chaque cas un faisceau mono-énergétique d'énergie E₀ traversant un milieu homogène: Les particules chargées resteraient toujours en nombre constant mais perdraient progressivement leur énergie, alors que les photons seraient progressivement absorbés, ceux qui restent gardant leur énergie initiale (ce schéma instructif mais un peu grossier néglige certains aspects importants comme l'effet Compton).

Le cas des neutrons est un peu particulier puisque malgré le fait que ces particules soient neutres on peut leur transposer, à haute énergie en tout cas, la notion de TLE définie pour les particules chargées. En effet les neutrons perdent progressivement leur énergie par chocs mécaniques contre des noyaux tout au long de leur trajectoire. Ces chocs provoquent le recul des noyaux heurtés, lesquels ionisent le milieu sur un court trajet. Le TLE de neutrons de 10MeV est de l'ordre de 10keV/µm