La dosimétrie : des rayonnements aux doses

par Yvon GRALL,
membre du GR21, Groupe de Réflexion Énergie/Environnement du XXIè siècle qui réunit, au sein de la Société Française d’Energie Nucléaire (SFEN), des cadres retraités aux multiples compétences qui réfléchissent en commun et en toute indépendance aux questions relatives à l’énergie et à l’environnement.

Ce qui est simple est faux,
Mais ce qui ne l’est pas est incompréhensible…

Depuis les découvertes de Roëntgen, P. et M. Curie, les utilisations des rayonnements dans l’industrie et la médecine se sont multipliées. Pour quantifier les effets produits sur la matière irradiée, vivante ou non, des systèmes d’unités ont vu le jour et ont été adoptés internationalement. Néanmoins, leur genèse et surtout leur emploi restent parfois mal connus. Nous avons souhaité faire le point sur ces notions.

LES CAUSES

Qu’est-ce que la radio-activité ? C’est un processus physique qui entraîne une modification de la structure du noyau d’un atome. Ce phénomène est lié à l’instabilité du noyau du fait soit de son nombre de nucléons, soit de son état énergétique. Il s’accompagne de l’émission de rayonnements et/ou de particules. L’unité correspondante est le becquerel (1 désintégration par seconde – l’ancienne unité le curie, valant 37.109 désintégrations/seconde).

Les rayonnements sont dits « ionisants » quand ils sont susceptibles d’ioniser la matière (c’est-à-dire d’arracher des électrons à la couronne périphérique des atomes) et donc de transférer une certaine énergie dans les milieux qu’ils traversent.
Ces rayonnements peuvent être :
- soit directement ionisants (cas des particules chargées électriquement : alpha et bêta par exemple) ;
- soit indirectement ionisants (cas des rayons gamma et des neutrons, non porteurs de charge électrique).

En fonction de leur masse, de leur charge électrique et de la nature du matériau rencontré, les rayonnements vont avoir une capacité de pénétration variable dans la matière, ce qui se traduit par un parcours plus ou moins long et une quantité d’énergie plus ou moins importante déposée par unité de longueur durant ce trajet.

LES EFFETS

Les effets produits vont être évidemment très différents selon que les rayonnements sont absorbés dans de la matière inerte ou dans un organisme vivant.

Dans le premier cas, le seul effet physique sera in fine un certain échauffement de la matière, la plupart du temps à peine détectable.
Par contre, en cas d’irradiation d’un être vivant, si l’échauffement (presque imperceptible, rappelons-le) existe toujours, il est parfaitement négligeable devant les effets destructeurs induits dans certaines parties sensibles des cellules, pouvant entraîner soit une réparation à l’identique, soit la mort (immédiate ou différée), soit l’impossibilité de se diviser, soit une mutation. Dans ce dernier cas, si la cellule mutée n’est pas éliminée par le système immunitaire, on a à nouveau deux possibilités :

- ou il s’agit d’une cellule d’un organe « quelconque » (et on peut assister à des effets aléatoires différés, avec apparition de cellules anormales qui formeront une malformation congénitale ou, si elles se multiplient anarchiquement, constitueront l’amorce d’un cancer) ;

- ou il s’agit de cellules germinales, appartenant au système reproducteur de l’espèce et il s’agit de savoir si l’anomalie interdira toute reproduction (descendance non viable : la malformation éventuelle est stoppée dès la 2ème génération) ou s’il sera possible de voir apparaître une transmission d’anomalies héréditaires à toute une lignée de descendants du sujet touché. C’est seulement dans ce dernier cas qu’on pourra parler de « transmission héréditaire » ou « d’effet génétique », à ne pas confondre avec le cas précédent : apparition d’une anomalie sur le seul sujet irradié, sans possibilité de transmission à ses descendants.

On voit tout de suite qu’il va nous falloir utiliser :

- Une grandeur correspondant à l’effet purement « physique » : ce sera la « dose absorbée » dont l’unité est égale à 1 Joule par kilogramme ou GRAY (ancienne unité, le RAD (Radiation Absorbed Dose) = 10-2 Gy).

- D’autres grandeurs, RELIEES A LA PRECEDENTE par des coefficients de pondération spécifiques et correspondant à des effets biologiques complexes et différents :
 o selon les effets des divers types de rayonnements ;
 o selon la nature du groupe cellulaire irradié.

L’unité en sera le SIEVERT (anciennement le REM (Roentgen Equivalent for Man) = 10-2 Sv) sur lequel il convient de s’appesantir quelque peu.
Pourquoi tout d’abord ne pas s’être contenté du gray, unité bien définie physiquement et valable dans tous les cas ? Précisément parce qu’elle ne tient pas compte de la diversité des réactions des tissus biologiques par rapport à la matière inerte : à dose absorbée égale, les effets produits sur les êtres vivants ne sont pas nécessairement identiques. Selon la nature même des rayonnements (photons gamma, particules chargées, neutrons…) et selon la constitution des tissus vivants irradiés, les « détriments » (ou dommages) causés sur le plan biologique peuvent varier dans des proportions parfois très importantes. Il a donc été nécessaire de concevoir une unité adaptée aux réactions de l’homme subissant une irradiation. Ceci a imposé, comme on vient de le voir, l’intégration dans le calcul de coefficients de pondération qui dépendent de travaux et de recherches en évolution permanente, ont changé par le passé et pourront encore changer selon le progrès de nos connaissances.

Pour compliquer encore un peu le problème, le Sievert est de plus une unité utilisée dans des cas de figure légèrement différents. On parlera en effet et toujours en utilisant le Sv :

- de « dose équivalente » (HT) en multipliant D, dose absorbée DANS UN ORGANE OU UN TISSU HUMAIN DETERMINE, par un coefficient WR dépendant de la nature et de l’énergie du rayonnement (ce coefficient variant de 1 à 20 est lui-même, rappelons-le, ajusté périodiquement, notamment grâce aux travaux de la CIPR) : HT = D.WR

- de « dose efficace »(E) qui est la somme des doses équivalentes reçues par les différents organes et tissus d’un individu après pondération par un coefficient WT tenant compte de la radiosensibilité particulière de ces organes et tissus. Cette dose efficace tente de rendre compte de l’effet global produit par les radiations SUR UN CORPS HUMAIN ENTIER. E = ? HT.WT

Comme on le voit, deux idées-force résultent des constatations préliminaires ci-dessus :

- Le Sievert est une unité qui ne peut s’employer que pour caractériser des phénomènes survenant chez un ETRE HUMAIN ou à la rigueur un animal si on a calculé des coefficients de pondération adaptés. Inutile donc de parler d’une dose en Sieverts concernant par exemple un territoire quelconque ayant reçu des retombées radioactives. Ceci n’a de sens que si le territoire en question est habité et seulement lors de l’étude de cas individuels. Seule la notation en Grays s’applique à la matière inerte.

- Le Sievert a été conçu dans le but de faciliter les calculs aboutissant à des règles de radio-protection. Il permet en effet l’ADDITION des doses, par exemple lors de l’irradiation à visées médicales, où on peut utiliser des rayonnements aboutissant à des « doses absorbées » importantes LOCALEMENT mais correspondant à une « dose efficace » tout à fait tolérable. Notons que des affirmations telles que :
« le fait que mille personnes reçoivent chacune 1 mSv produit des effets biologiques équivalents à une seule personne recevant 1 Sv »
résultent d’un postulat NON DEMONTRE qui suppose une stricte proportionnalité entre dose et effet quel que soit le niveau et le débit de dose. Nous y reviendrons dans la suite de cet exposé.

En résumé, nous disposons donc d’une « panoplie » qui nous permet :

- de mesurer la dose absorbée dans de nombreux cas (territoires, objets, êtres vivants) et de disposer de cette base « physique » solide
 ;
- d’évaluer, si des êtres humains ont été irradiés, le risque couru par chacun d’eux en fonction des doses absorbées observées (ou reconstituées, plus ou moins approximativement, c’est un autre problème mais d’importance) pondérées par les coefficients ACTUELS.

- de fixer, avec tous les coefficients de sécurité qu’on voudra, une limite « légale » aux doses admissibles dans tel ou tel cas de travail exposé. Notons que par précaution ces seuils sont toujours situés volontairement très en dessous des niveaux estimés comme présentant un réel danger.

AVANTAGES, INCONVÉNIENTS ET LIMITES DE LA DOSIMÉTRIE

On a vu plus haut qu’on dispose d’unités différentes selon qu’on s’intéresse à l’aspect physique ou à l’aspect biologique de l’impact des radiations. Le Gray (Gy) permet de calculer les doses absorbées dans tous les cas, le Sievert (Sv) autorise l’appréciation du risque couru individuellement comme des risques cumulés lorsqu’un être vivant est irradié. Ce système d’unités sert de base aux règles de radioprotection et permet aussi des études épidémiologiques poussées.

N’insistons pas sur la relative complexité de ces unités, qui fait, comme on l’a vu plus haut, que des contre-sens peuvent être commis par des personnes insuffisamment informées.

Mais la dosimétrie, si précise et rigoureuse soit-elle, ne nous permet pas toujours de résoudre de façon satisfaisante plusieurs problèmes dont on ne peut nier l’importance. Citons par exemple :

- Le rôle du débit de dose : il est certain que les effets d’une même dose délivrée en un temps bref voire très bref sont bien plus importants que si l’irradiation dure un temps prolongé, à bas débit. On a tiré de multiples enseignements, très précieux, des victimes des explosions d’Hiroshima et Nagasaki, mais il ne faut pas oublier que ceux-ci ont subi un véritable « flash » intense très différent du cas du travailleur en milieu irradiant, même si les doses cumulées sont finalement les mêmes.
Par exemple, une dose absorbée de 5 Gy en quelques minutes ou quelques heures sur le corps entier entraînera le décès de la moitié des personnes exposées (c’est la définition de la « dose létale à 50% » (DL 50) alors que répartie sur plusieurs mois ou des années elle ne fera pas apparaître de manifestations cliniques précoces (avec toutefois un risque aléatoire de pathologie tardive (voir ci-dessous les effets stochastiques). On ne peut donc comparer que ce qui est comparable et si les résultats des études sont parfois transposables, les extrapolations doivent toujours être assorties de suffisamment de précisions pour qu’on sache exactement les conditions expérimentales observées.

- L’influence de l’âge : la radio-sensibilité des tissus est liée à la capacité des cellules qui les composent de se reproduire. Il est donc tout naturel de constater que les tissus de l’enfant (et a fortiori du fœtus) sont généralement beaucoup plus radio-sensibles que ceux des adultes. Ceci est bien connu, par exemple pour la thyroïde et on sait que le risque de cancérisation par irradiation de la thyroïde chute considérablement après la puberté. Il devrait en toute rigueur y avoir une évolution des coefficients de pondération décrits ci-dessus en fonction de l’âge du sujet, ce qui n’est pas le cas actuellement.

- La limite entre effets déterministes et stochastiques : c’est tout le problème des « faibles doses » ou plutôt de la limite en dessous de laquelle on peut considérer que les effets des radiations sont négligeables, voire nuls. On sait en effet qu’au dessus d’une certaine dose, on obtient des effets connus et identiques d’un sujet à l’autre : c’est le domaine « déterministe » qui commence, en gros, au-delà de 200 mSv d’irradiation du corps entier.
Au dessous se situerait le domaine « stochastique » où les effets ne sont détectables que statistiquement et à long terme, sur des groupes suffisamment importants étudiés par les méthodes de l’épidémiologie. On est ici dans la zone dite des « faibles doses », objet d’un vaste débat qui oppose toujours les partisans d’une loi linéaire sans seuil (toute radiation peut entraîner un effet quelle que soit la dose) et ceux de lois comportant des courbes effet-dose à seuils (en dessous desquels les effets des radiations sont indétectables ou nuls).

Malheureusement, l’épidémiologie a des limites qui ne permettent pas de trancher définitivement ce problème et des travaux se poursuivent à ce propos. On peut toutefois considérer qu’il existe sur notre planète une radioactivité « naturelle » (2,5 mSv par an en moyenne en France, jusqu’à 100 mSv/an dans d’autres pays comme le Kerala aux Indes) qui n’a visiblement pas entravé le développement de l’espèce humaine.

- L’apparition des cancers radio-induits : beaucoup d’études très fructueuses ont été basées sur les phénomènes cellulaires et les conséquences des ruptures des brins d’ADN dans le noyau cellulaire. Mais on s’est aperçu depuis une dizaine d’années que la cellule isolée et la cellule dans son environnement ne réagissaient pas nécessairement de façon identique. Inversement, les tissus organiques mis en présence de cellules irradiées ont également des comportement spécifiques. Par exemple, des cellules irradiées transplantées dans un tissu sain peuvent ne pas développer de tumeurs (comme elles le feraient de façon isolée). Mais des cellules non irradiées placées au voisinage de cellules touchées peuvent aussi s’altérer et présenter des anomalies chromosomiques. Globalement, on pense qu’il existe un vaste réseau d’échanges d’informations entre cellules qui permet à l’organisme de gérer les agressions dont il est l’objet et, si possible, de s’en protéger dans une certaine mesure. De nombreux travaux sont en cours pour préciser ces réactions.

- L’apparition de pathologies radio-induites non-cancéreuses : c’est une des conséquences découvertes relativement récemment de l’irradiation des populations d’Hiroshima et Nagasaki. L’analyse statistique de la cohorte des sujets irradiés survivants (encore 50% en 1997) a montré une augmentation du risque de décès par maladies non-cancéreuses, notamment les maladies du sang, mais aussi les pathologies cardiaques, respiratoires et digestives ainsi que les accidents vasculaires cérébraux. L’excès de risque par rapport à une population témoin n’est pas considérable, mais il est significatif. L’hypothèse explicative retenue en priorité serait celle de l’accélération des phénomènes de vieillissement cellulaire à la suite de l’irradiation de 1945.

Il faut cependant remarquer que ces effets ont eu lieu des dizaines d’années après l’irradiation et d’autant plus tard que cette irradiation avait été faible. Le nombre de décès ne caractérise donc pas à lui seul la gravité des conséquences car qui ne choisirait la possibilité de survivre trente ans et plus, même si statistiquement ceci correspond à une légère diminution de la durée de vie prévisible sans irradiation ? C’est le nombre d’années éventuellement perdues qui devrait être retenu dans ce genre d’études.

- L’atteinte du patrimoine génétique transmissible : à ne pas confondre avec l’apparition de malformations congénitales, comme on l’a vu plus haut. On sait que des animaux irradiés (notamment des souris) ont donné naissance par la suite à des lignées porteuses de chromosomes modifiés entraînant une propagation du gène touché dans l’espèce considérée. OR, RIEN DE SEMBLABLE N’A ETE CONSTATE CHEZ L’HOMME.

En particulier, le suivi des irradiés japonais de 1945 (86 572 personnes) après 60 ans de surveillance et alors qu’on aborde la 4ème génération, n’a pas permis de mettre en évidence de phénomène héréditaire transmissible lié aux rayonnements. La proportion de malformations et leurs caractéristiques sont restées identiques à celles des populations témoins. Il en est de même à Tchernobyl avec évidemment un moindre recul. Peut-être est-ce dû à un taux de rejet (avortement) très supérieur dans l’espèce humaine lors de l’existence d’une anomalie fœtale (présence de nombreux « barrages » efficaces aux ovules fécondés porteurs de malformations) ? Rappelons à nouveau ici que nous ne traitons pas de l’apparition de malformations chez l’enfant irradié in utero (celles-ci ont existé à Hiroshima et Nagasaki et peut-être à Tchernobyl où diverses études sont contradictoires) mais de la transmission possible d’un caractère anormal aux descendants ultérieurs, ce qui est un autre problème.

CONCLUSIONS

Comme on l’a vu, les problèmes de dosimétrie qui sous-tendent l’étude des effets biologiques des rayonnements sont assez complexes. Malgré l’établissement d’un système d’unités aussi bien adapté que possible, des erreurs ou de mauvaises interprétations sont possibles et de nombreux problèmes n’ont pas encore trouvé de solution satisfaisante. Des travaux poussés sont encore nécessaires dans ce domaine, notamment sur le plan épidémiologique.

Toutefois, des résultats sont acquis que nous résumons brièvement ci-dessous :

- Les limites de doses admises internationalement sont très largement calculées et protègent correctement les travailleurs exposés, toutes les dernières études statistiques le prouvent. Les normes de radioprotection actuelles sont efficaces mais ne doivent pas être confondues avec des seuils de danger réel.

- Les doses de rayonnement « naturelles » sont bien tolérées par l’organisme humain qui de plus, apparaît peu enclin à transmettre à ses descendants des anomalies chromosomiques issues de l’irradiation.

- Il faut tenir le plus grand compte des facteurs non intégrés dans les calculs de dose efficace que sont LE DEBIT DE DOSE et LA RADIO-SENSIBILITE LIEE A L’AGE.

- Les études des interactions cellulaires et tissulaires (effet « bystander »), des pathologies radio-induites non-cancéreuses, des effets stochastiques à long terme des radiations, constituent à elles seules un champ d’expérimentations considérable et largement ouvert sur de nouvelles recherches.