La majorité des accidents radiologiques sont des irradiations externes et localisées au niveau des mains des victimes. Le rôle de l’IRSN est d’évaluer précisément les conséquences radiologiques afin de mettre en œuvre les stratégies thérapeutiques adaptées. Actuellement, aucune technique ne permet une estimation précoce des doses pour les irradiations des mains. Ainsi, l’objectif de la thèse est de contribuer au développement d’une méthode de dosimétrie basée sur l’analyse par spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) de prélèvements d’ongles en reliant la concentration des radicaux libres radio-induits à la dose absorbée. Toutefois, l’analyse des spectres RPE d’ongles irradiés demeure extrêmement compliquée. Une première étape a été de caractériser la nature des radicaux à l’origine des signaux endogènes et radio-induits et d’étudier leurs propriétés physico-chimiques. L’étude de la variabilité de ces signaux a ensuite été entreprise et nous avons identifié un signal UV-induit stable qui contribue de manière certaine au signal endogène. Deux approches pour doser les faibles doses ont été proposées : l’une sur le comportement des signaux radio-induits avec la puissance du rayonnement micro-onde ; l’autre sur la repousse sélective du signal radio-induit après son élimination totale ou partielle à l’aide de traitement chimique. Nous avons également soulevé la problématique des analyses spectrales qui sont opérateurs-dépendantes. Un protocole de traitement numérique des spectres RPE a été développé permettant de réduire la contribution du bruit généré par le spectromètre RPE et d’extraire de manière automatique et reproductible les variables d’intérêt.
Après l’incorporation de radionucléides dans l’organisme, l’imagerie quantitative en médecine nucléaire et l’anthroporadiométrie sont utilisés pour quantifier l’activité retenue. L’étalonnage de ces systèmes in vivo peut être amélioré afin de tenir en compte de la variabilité individuelle. En vue d’optimiser la mesure de l’activité retenue, des fantômes d’étalonnage innovants ont été réalisés par impression 3D. L’infographie 3D a été utilisée pour la conception, en parallèle avec un travail d’ingénierie permettant l’inclusion de radionucléides et l’adaptation aux besoins des utilisateurs. Un jeu de fantômes thyroïdiens adapté à l’âge a été développé et utilisé pour améliorer la mesure anthroporadiométrique thyroïdienne des enfants. À la suite d’une étude systématique, les coefficients d’étalonnage des installations de routine et de crise de l’IRSN ont été déterminés pour l’adulte et les enfants de 5, 10 et 15 ans. Un fantôme thyroïdien pathologique a été développé en plus du jeu de fantômes thyroïdiens dédié à la crise pour améliorer la mesure de fixation thyroïdienne en médecine nucléaire. Une étude multicentrique a été réalisée pour optimiser l’étalonnage afin de mieux personnaliser le traitement des pathologies bénignes de la thyroïde. Pour l’anthroporadiométrie pulmonaire, une famille de fantômes de poitrine a été développée pour améliorer la surveillance des travailleuses du nucléaire. Finalement, ce travail de recherche a permis de développer des fantômes adaptés aux besoins et de démontrer leur utilité pour la quantification de l’activité en dosimétrie interne.
En France, les références associées à la fluence neutronique et aux grandeurs dosimétriques dérivées sont détenues par le Laboratoire de Métrologie, de micro-irradiation et de Dosimétrie des Neutrons (LMDN) de l’IRSN. Afin d’améliorer la définition des références en énergie et en fluence des champs neutroniques monoénergétiques de l’installation AMANDE,le LMDN s’est engagé dans le projet de développement d’un détecteur gazeux μTPC (microTime Projection Chamber) appelé LNE-IRSN-MIMAC en collaboration avec le LPSC.Dans une précédente thèse, la mesure de champs neutroniques entre 27 keV et 565 keV a été réalisée. L’objectif de ce travail de thèse est d’étendre la gamme de mesure au-delà de 1 MeV.Le choix du gaz, le développement d’une méthode d’analyse indépendante de l’utilisateur et la caractérisation du détecteur ont ainsi permis de valider la capacité du détecteur LNE-IRSN-MIMAC à réaliser des mesures dans des champs neutroniques monoénergétiques entre 250 keV et 6,5 MeV avec une précision de 3% en énergie et de 2,5% en fluence.
Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'une recherche fondamentale visant à améliorer la compréhension des mécanismes d'interaction des rayonnements ionisants avec la matière biologique en s’intéressant à la prédiction par simulations numériques des dommages précoces radio-induits à l’ADN. Dans un premier temps, une étude sur le rôle des différents niveaux de compaction de la chromatine (hétérochromatine et euchromatine) dans l’induction de ces premiers effets, à savoir les cassures de brins de l’ADN, est proposée. De nouveaux modèles géométriques réalistes de noyaux cellulaires intégrant la compaction de la chromatine ont donc été créés et utilisés dans une chaîne de calcul, basée sur le code Monte Carlo ouvert et généraliste Geant4 et son extension Geant4-DNA, permettant de simuler les étapes physique, physico-chimique et chimique menant aux cassures de brin. Les développements effectués dans cette thèse ont également permis d’étudier l’impact de plusieurs types de rayonnement (protons, alphas, photons) sur les dommages radio-induits. Les différents résultats ont été confrontés à des données expérimentales et en particulier à celles obtenues par l’équipe de radiobiologistes de l’IRSN. Enfin, une étude portant sur les effets plus tardifs comme la réparation de l’ADN et la mort cellulaire a été réalisée par l’utilisation conjointe de la chaîne de calcul et de certains modèles paramétriques issus de la littérature. Ainsi, les résultats obtenus dans cette thèse ont permis d’acquérir de nouvelles connaissances et de développer des outils de calcul qui seront bientôt disponibles en accès libre à la communauté scientifique afin de prédire des effets biologiques de plusieurs types de rayonnement dans la perspective d’améliorer les modèles de risque.
Les techniques modernes de radiothérapie externe permettent de délivrer précisément la dose à la tumeur. Ce gain en précision se fait cependant au prix de l’irradiation d’un volume plus important de tissus sains alors susceptibles de développer des lésions radio-induites. Aujourd’hui, les risques de complications représentent un enjeu sociétal important, car l’efficacité des traitements permet aux patients une espérance de vie plus longue, augmentant ainsi la probabilité d’effets secondaires à moyen et à long terme. Cependant, l’estimation des risques est conditionnée par une connaissance précise des doses délivrées aux organes sains, directement corrélées aux risques de complications. Ces doses restent encore méconnues, car renseignées de manière incomplète et imprécise par les systèmes de planification de traitement (TPS). Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est d’évaluer avec précision les doses délivrées aux tissus sains par les techniques avancées de radiothérapie. D’une part, une étude comparative des doses délivrées aux tissus sains par différentes techniques avancées a été réalisée et, d’autre part, les performances, en termes d’évaluation des doses aux tissus sains des algorithmes des TPS ont été évaluées. Des méthodes numériques et expérimentales ont donc été développées. Tout d’abord, un modèle Monte-Carlo PENELOPE de l’accélérateur Cyberknife a été étendu et validé en 1D et 2D pour l’évaluation des doses hors champ. Ce modèle a ensuite été utilisé pour déterminer les doses délivrées aux tissus sains lors d’un traitement de la région pulmonaire. Cette étude a ainsi permis de fournir des données d’entrée pour les modèles de risque et enfin, de mettre en évidence l’apport en précision de la simulation Monte-Carlo détaillée par rapport au TPS. De plus, un outil expérimental de reconstruction de la dose en 3D à partir de mesures par films radiochromiques a été développé. Un protocole de dosimétrie par gel dosimétrique a également été mis en place. Après validation en 2D et en 3D, l’outil de reconstruction a été mis en œuvre pour comparer les doses délivrées aux tissus sains par trois techniques de radiothérapie (conformationnelle, VMAT et tomothérapie) pour un traitement rénal pédiatrique. Bien que les techniques avancées offrent une excellente conformation, les tissus sains reçoivent des doses jusqu’à 3 fois plus élevées en comparaison avec la radiothérapie conformationnelle. La tomothérapie, disposant d’un blindage supplémentaire, épargne mieux les tissus que le VMAT. Finalement, contrairement à Eclipse™, le TPS de la tomothérapie détermine précisément des doses délivrées jusqu’à 30 cm du champ.
En médecine nucléaire, suite au marquage de cellules in vitro avec des radionucléides, l’évaluation des doses reçues à la cellule est essentielle pour comprendre les effets biologiques associés et comparer différentes expériences entre elles. Réalisée notamment avec des émetteurs β+ pour le suivi de cellules par imagerie TEP, la procédure implique l’utilisation de fortes activités dans un volume restreint pouvant alors induire des doses élevées et entrainer une mortalité cellulaire et par la même une perte de la qualité de l’image. Ce travail de recherche s’inscrit dans la perspective de mieux appréhender les enjeux qui sous-tendent cette procédure et d’éclairer les pratiques actuelles. Dans ce cadre, l’étude a porté plus précisément sur l’évaluation réaliste des doses reçues aux cellules lors d’un radiomarquage de cellules au ¹⁸F-FDG pour l’imagerie TEP et leur corrélation aux effets observés. Une première partie du travail de thèse a reposé sur le développement et l’optimisation d’outils de calculs de dose à l’échelle cellulaire. Une analyse comparée de plusieurs méthodes de calculs hybrides a été réalisée en s’appuyant sur des approches analytiques, Monte Carlo ou de la dynamique moléculaire. L’impact de différents facteurs comme la densité cellulaire et l'efficacité de marquage sur les doses aux cellules a pu être ainsi étudié et discuté. Dans un second temps, des expériences de radiomarquage de cellules mésenchymateuses et lymphoblastoïdes au ¹⁸F-FDG ont été réalisées suivies d’une évaluation de la survie clonogénique, du cycle cellulaire et de la cinétique d’apparition et réparation de cassures double brins. Pour relier les effets observés à des doses précises, un modèle dosimétrique multi-cellulaire a été développé, prenant en compte l’ensemble des étapes de l’expérience. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre l’exposition des cellules au cours des étapes de marquage et des conséquences fonctionnelles sur les cellules marquées, apportant ainsi une base de connaissances pour une future standardisation des méthodes de marquage.
Les orages sont le lieu de production d’évènements de haute énergie découverts dans les années 90, appelés flashs gamma terrestres (TGF), et gamma ray glows. Les TGF sont des bouffées de photons gamma, détectables par satellite, dont la durée est de moins de 100 μs. Les énergies des photons produits peuvent atteindre ~40 MeV. Quant aux gamma ray glows, elles sont des augmentations du rayonnement de fond dans les orages, sur des durées plus longues (quelques secondes à dizaines de minutes) mais générant des flux de photons beaucoup moins importants. Ces deux types d’évènements sont produits par les mêmes mécanismes physiques impliquant des électrons de haute énergie, appelés avalanches d’électrons runaway relativistes.Ces évènements sont produits à des altitudes entre 10 et 15 km, coïncidant avec les altitudes des vols commerciaux. Dans cette thèse, nous adressons le problème d’une exposition supplémentaire due à ces évènements pour les passagers et le personnel navigant de l’aviation civile. Nous avons entrepris différents moyens d’étude afin d’apporter une réponse à cette problématique, en s’appuyant sur diverses méthodes. D’abord, l’estimation théorique des doses générées par les TGF à l’aide de simulation numériques montre que de fortes doses sont générées par les électrons source, cependant dans des régions compactes. Dans un second temps, une étude statistique estime que la probabilité qu’un avion commercial soit touché par la source d’un TGF, en utilisant des données satellites et des trajectoires d’avion, est faible. Enfin, nous présentons le développement d’un spectromètre gamma et les prédictions des mesures futures concernant les TGF et les gamma ray glows.
L'IRM-LINAC est un appareil de radiothérapie guidée par l'imagerie combinant un accélérateur linéaire (LINAC) et un imageur par résonance magnétique (IRM), permettant un meilleur suivi de la tumeur. Des problématiques dosimétriques, associées à la présence du champ magnétique statique, ont été soulevées dans la littérature. L'objectif de la thèse est de développer des outils dosimétriques et des protocoles robustes utilisables sur les IRM-LINAC afin d'améliorer la connaissance des doses délivrées aux patients traités avec ces appareils. La première partie du travail se concentre sur la détermination des facteurs d'ouverture du collimateur (FOC) en petits champs sur cet appareil et sur l'étude de la réponse des détecteurs. Comme aucune variation significative de réponse n'a été observée pour des films EBT3 exposés à différentes durées en présence du champ magnétique (0,35 T), ce détecteur 2D à haute résolution a été utilisé pour réaliser plusieurs séries de mesures de FOC sur un IRM-LINAC MRidian qui ont ensuite été comparées aux mesures par détecteurs actifs (chambres d'ionisation, diodes, microdiamant) ainsi qu'aux données du TPS. Un bon accord est observé entre les FOC mesurés et ceux calculés par le TPS pour les tailles de champ supérieures ou égales à 2,5×2,5 cm², une sous-estimation du FOC TPS est observée pour les tailles de champ inférieures (champ 0,83×0,83 cm² : 6% pour les films, et 4% en moyenne pour les détecteurs actifs solides). Après application des facteurs correctifs du TRS483, les mesures par détecteurs actifs convergent vers celles obtenues avec les films. Ces écarts avec le TPS tendent à suggérer la nécessité d'un ajustement plus robuste de l'algorithme du TPS pour les petits champs. Les mesures sont complétées par des simulations Monte-Carlo réalisées avec le code Geant4 pour établir des facteurs correctifs en présence d'un champ magnétique pour les détecteurs actifs. La seconde partie porte sur la faisabilité de lecture par IRM de gels dosimétriques TruView (ModusQA), fabriqués au laboratoire, pour évaluer des distributions de dose. Ces gels caractérisés par lecture IRM (mesure du temps de relaxation T2), ont montré une linéarité de la réponse en dose jusqu'à 7 Gy ainsi qu'une sensibilité faible comparativement à la littérature. Une sensibilité thermique importante et une inhomogénéité du gel entre la surface du gel et le gel situé plus en profondeur ont été observées pour des gels non-irradiés, et des protocoles ont été mis en place pour s'en affranchir. La faisabilité d'utilisation de gels dosimétriques pour la réalisation de contrôle qualité patient sur l'IRM-Linac a été démontrée, une amélioration de la sensibilité du gel est nécessaire afin d'obtenir une dosimétrie fiable avec ce protocole.
