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Université Scientifique et Médicale de Grenoble

INSTITUT DES SCIENCES NUCLÉAIRES DE GRENOBLE

63, avenue des Martyrs - GRENOBLE

I-S.N 81-46

PRODUCTION PAR CYCLOTRON Df MOLECULES MARQUEES

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Pour l'aboutissement de os travail, e'eet avec un immtse plaisir eue j'exprim mes remeroiemente les plus chaleureux à tous ceux qui m'ont aidée.

Je tiens d remreier tout spécialement mon collègue de Liège, G. Del Hors pour toute l'aide qu'il m'a fournie en chimie où mon ignorance était quasi-totale, pour toute la patience et la sollicitude dont il a fait preuve.

Que Messieurs J. Godart, J.M. Petere, J. Boutet et L. Quaglia trouvent ioi l'expression de ma plus profonde gratitude, d'une part pour les conseil* et les orientations qu'ils m'ont donnés tout au long de ce travail, et sans lesquels il n'aurait pas abouti, et d'autre part, pour la présence humaine dont ils ont au faire preuve, et l'aide qu'ils m'ont toujours aooordée dans tous les domaines.

Que Monsieur D. Lamotte, Directeur du C.R.C. de Liège soit assuré de ma gratitude et du plaisir que j'ai eu i travailler avec lui. Bn effet, il m'a guidés dans le domaine de la tomographic et m'a permis d'acquérir les connaissances qui étaient nécessaires i la compréhension et l'exploitation dans Iss applications médicales.

le Professeur J. Valentin, en m'accueillant d l'I.S.9., dans le troisième oyais d'Instrumentation Kuolsairs dont il eet responsable, m'a donné la okanae de réaliser os travail. Qu'il en soit ioi remercié.

Le Professeur J.P. Longequeue a toujours suivi es travail avec intérêt et l'a témoigné par des encouragements de toutes sortes. Que ce document lui toit un témoignage de ma gratitude pour la confiance qu'il aplaoîedant oe travail et les enoouragements qu'il n'a pas hésité à m'aoooràer.

Je tiens également à affirmer que j'ai été particulièrement heureuse d'avoir eu parmi les membres as mon jury, le Docteur M. Omet dont la compétence et t'enthou-eiasme constituent un moteur pour le service de Médecine Kueléaire de Grenoble et avec lequel c'est un véritable plaisir de travailler.

Je tiens également à remercier pour leurs collaborations, aussi bien les membres du personnel technique du C.R.C. de Liège que ceux de l'I.S.B. de Grenoble, en particulier J. Redoté, D. Leduc, M. Balch, S. Mestrex, G. Delveaux, A. Menthe, A. Benabed, J. Larruat, etc... La liste eet longue, maie e'il y a dee personnes que je n'ai pas pu citer,qu'elles soient aseuréee que~je n'ai oublié aucune aide et que met reconnaissance est pour elle», aussi profonde.

Bnfin, que Mademoiselle P. Ames et Madame J. trévisson soient remerciée», l'une pour la dactylographie du document, et l'autre pour toutes les reproduction» et les tirages.

R E S U M E

Ca travail a port! f i r deux aspactt coapléaantalras das radloisotopts de courtes pérfodts qui sont 1 5 0 . l3H at 1 1 C.

1*) Eairipaaant : ct point coaportt daux volets :

- la realisation d'une Installation pour la production das 3 radioisotopes at leur purification.

- 1'etudt das Instruments dt detection utilisés pour Its applications •tdlcales.

Z*) Productions das •olocults •arouses at utilisation» «edictIts

La production das aolicules atarquats aux trois radioéléments citai plus haut at obtenus par boabardements de ciblas au Moyen da particules chargeas a i t i étudlte. En particulier, le travail a porte sur les conditions d'optimisation de cette preparation et sur les utilisations médicales de certaines substances.

A B S T R A C T

This work had concern»d tHO-coapltamtaty aspects of tht thrtt shortlived radioisotopes for clinical ust : : s 0 , 1 3H and U C .

1*) Eqirt potent : This aspect Involve two points :

- tht realization of a production and purification systta - tht study of detection Instruments In aedlcal use.

2*) Molecules labelled production and swat clinical utilization

U, Tht production of labelled Molecules with the 3 radiotracers 1 5 0 , 1 3 N,

C recoultlng from tht targtt boabardeeent Mith charged and accelerated ptrtlclts Mas studied. In particular, this work had concerned the production optimisation conditions and the clinical usa of sow substances.

T A B L E D E S M A T I E R E S

INTRODUCTION P. 1 NOTE I - T O W U L EFFECTUE A GRENOBLE P. 7 CHWTRE I - OBJECTIFS ET POSSIBILITES DE L'I.S.H.G. DANS LES PFEBWTIONS

ŒS O Z MDIOACTIFS DE COURTES PERIODES P. 9

1-1- INSTITUT K S SCIENCES NUCLEAIRES OE GRENOBLE O.SJM3.) P. 9

1-2- CBJECTIÏS GRENOBLOIS P.10

I-2-1-EXWENS PULMONAIRES P.M

1-2-2-eawENS CÉRÉBRAUX P . I O 1-3- LOCAUX ET FINANCEMENT P.ll

CWPITREn-Pia)UCriONDEL'( IWHt-15 P.13

I I - l - INTRODUCTION P.J3

I I - 2 - RÉACTIONS NUCLEAIRES P.M I I - 3 - DESCRIPTION DE L'INSTALLATION NÉCESSAIRE POUR LA

PRODUCTION DE L'OXWGÈNE-15 P.15 I M - RÉAUSATION DU DISPOSITIF A GRENOBLE P.37

II-4-1-CHAMBRE D'IRRADIATION P.27

IH-2-M0DULE DE PURIFICATION ET DE MISE EN FORME P.20

IM-2-A-PIÊGES FROIDS P.23

II-4-2-B-PIÈSES CHAUDS P.25

I I - 5 - CIRCUIT DE PRÉP/WATION DE L'OXYGENE-35 ET MODE

OPÉRATOIRE P.26

I I - 5 - ESSAIS DE PRÉPWTION D'OXYGENE- P.27 H-6-1-RÉACTION % « P.27

II-6-1-A-TEMPS D'IRRADIATION ET ACTIVITÉ A SATURATION EN FONCTION DU DEBIT P.30

IH5-1-B-ACTIVITÉ A SATURATION EN FONCTION DE L ' I N T E N -SITÉ DU FAISCEAU P.30

II-6-1-C-ESSAIS D'IDENTIFICATION DES PRODUITS FORMES P.30 II-6-1-D-MESURES DES ACTIVITÉS P.35 II-6-l-E-ESSAis A 6,3 t%y P.36 II-6-l-F-iaRADIATION EN RÉGIME SEMI-DYNAMIQUE P.37

I I - 6 -2 -RÉACTION%P,P I I>% P.37 II-fr-3-BILAN SUR LES RÉACTIONS FAITES A GRENOBLE P.37

CHUPITREHI -fiWIWnONDESRMSErŒLEURfiEGLWTION P.39 I I I — 1 - PARTIE MÉCANIQUE P.39 111-1-l-DÉTAIL DE LA COCUE P.39 III-1-2-DÉTAIL DU DEMI-CYLINDRE INTERNE P.40 I I I - 2 - ISOLATION THERMIQUE P.4Û I I I - 3 - ACHÈVEMENT EU FOUR P.40 I I I - 4 - RÉGULATION DE LA TWFÉRATURE DU POUR P.43 I I I - 5 - RÉSULTATS EffÉRIMENTAUX P.46 I I I - 6 - ÉVALUATION DU PRIX DE REVIENT P.46

mïïIE I I -TWWLEFFECTŒAUCBfTIÏŒieffiOCnJWlOnCNCE

LIES (C.R.C.) p.49

INTRODUCTION P.51

CHAPITRE I - INSTAJLATTONIEPRQDuniON P.53 1-1- INTRODUCTION P.53 1-2- MODULE D'AMENÉE DES GAZ ET D'IRRADIATION P.53 1-3- MODULE DE PURIFICATOIN ET DE MISE EN FORME P.53 1-4- MODULE DE MESURE/ DE CCTTWNDE, DE RELATION ET

D'ANALYSE P.54 I-4-1-LA CHR0MATOGRAPHIE EN PHASE GAZEUSE P.54

I-4-1-A-LES COLONNES DE SÉPARATION P.55 FT-1-B-LA DÉTECTION DES "PICS* DE CHROMATOGRAPHIE

. ' GAZEUSE P.57 I-M-C-DÉTECTEUR ULTRA-SONIOUE P.57

I-4-2-RADIOCHR0MT0GRAPHIE P.53 1-5- MODULE DE DISTRIBUTION P.58

awniEii-pimnioHiBnimifSHTOHS p.6i I I - l - IKTROOUCTION P.61

I1-2- DEFINITION P.E2

I1-3- MODE OPÉRATOIRE p.62 I M - PRODUCTION DE L'OMrGÊNE-]5 p.62 II-4-l-PRODUCTION DE L'COWBÈNE MOLECULAIRE p.62

II-4-l-A-DÉTEflWNITlON DE L'ÉNERGIE DU FAISCEAU

TOUT AU LONG DE SON TRAJET p.63 II-4-l-B-DESCRIPTION DE L'EWÉRIENCE p.66 II-t-1-C-HESURES

11- 2-PRCOUCTION DE ( 3 0

P.G6 p.67

II-4-3-PR0DUCTION DE CHO^ p.68 11-5- MWQUAGE DU SANG p.69 I I - 6 - PRODUCTION DE L'AZOTE-^ p.70 II-6-1-HÉACTION NUCLÉAIRE p.72 II-6-2-CHOIX DU MATÉRIAU CIBLE P.7II

II-&-3-0ETERM1NATI0N DU DÉBIT P.74

II-6-t-DESCRIPTION DE L'EXPÉRIENCE P.74

H-6-5-M3URE DE DÉCROISSANCE p.76 H-6-6-ANALYSE p.77

11-6-6-A-CHRCmTORAPHIE P.77 II-6-6^-RADIOCHB0mTOGRAPHIE P.77

II-6-7-M3URE DE LA CONCENTRATION RADIOACTIVE P.78 I I - 7 - PRODUCTION D'AmONIAC WROUÉ P.78 II-7-1-WÉTH0DE DE PRODUCTION p.78 1I-7-2-DESCRIPTION DE LA CHAMBRE D'IRRADIATION P.80 II-7-3-MOE OPÉRATOIRE P.80 II-7-4-RESULTATS p.80 Î I - 8 - NNBUAGE DU PROTCOOŒ D'AZOTE p.81 II-8-l-PRCOUCnON p.81 II-8-2-PURIFICATION P.85 II-8-3-HESUHES P.88 I I - 3 - PRODUCTION DU CARBONE-11 p.88 II-9-l-INTRODUCnON p.88 II-9-2-CHOIX DE LA RÉACTION NUCLÉAIRE p.89 11-9-3-PRODUCTION DU DIC4ME DE CARBONE MAR9UÉ AU CARBONE-U p.90 H-M-PRODUCTION DE L'OXVDE DE CARBONE MARQUÉ AU CARBONE-U p.91

C W r n t I I I - LA DETECTION M 6 LES OTUCATIONS WLWAIRES, CAHDMOUES ET CEREBRALES p. S

I I I - l - LA TGMD6RVHIE PAR &USSION DE POSITRONS P. 95

I I I -1-l- lNlMOKTION P. 95

IIM.-2-PRINCIPE DE LA TOMOGRAFHIE PAR POSITRONS P. 95 III-1-3-BUT5 ET AVANTAGES DE LA TOM0SRWHIE PAR ÉMISSION » + P. 94 III-1-4-OUNJTÉ O'IME IMAGE TOMXRAPHIQUE ET INFORMATIONS

RECUEILLIES P. 96 IH-l-5-CWÉmS TOMDGRAPHKIUES ACTUELLEMENT UTILISÉES EN

MÉDECINE P. 9 9 I I I—3- DETECTION PAR SONDES P.XQ2

HI-2-l-INTRODUCTION P.IÛ2 III-2-2-OESCRIPTICN P.102

III-2-2-A-SYSTÊME PULMONAIRE P.102 III-2-2-B-SYSTÈME CARDIAQUE P.1D3

III-2-2-C-SYSTÈME CÉRÉBRAL P.1D3

III-2-3-PERP0RMMKES P.103

CWPITRE IV - u n U S K n C N f E D I O L E S E E QUELQUES WLELTJLES PRODUITES p.107

IV -1 - UTILISATION OU PROTOME D'AZOTE MARQUÉ ^ 0 P.107

IV -1 - INTRODUCTION P.107

IV-1-2-PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL P.107 IV-1-3-RÉSULTATS OBTENUS P.1Û9 IV-l-4-INTERPRÉTATIOH ET DISCUSSION P.113 IV-l-5-CONCLUSION P.JJ5

IV-2- UnLISATION DE L ' M K M I A O U E MARQUÉ : *^t§ P.117 IV-2-I-INTROOUCTION p.117 IV-2-2-PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL ET RÉSULTATS P.118 I V - 3 - UNUSATION DU CMOG AU NIVEAU CARDIAQUE POUR LE

DIAGNOSTIC ET LA QUANTIFICATION DES SHUNTS

"GAUCHE-DROITE" P . U 9 IV-3-l-INTRODUCnON P.JJ9

IV-3-2-PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL P.119 IV-3-3-RÉSULTATS ET INTERPRÉTATION P.119

CHWTPE V-CONCLUSION P.125

REFERENCES P.127

I N T R O D U C T I O N

MÉCECINE ET WPIOELEMNTS

Saw entrer dans le détail de l'histoire de la radioactivité, nous allons

essayer de faire un parallèle entra la progrtsslon des recherches dans I t domaine de

la radioactivité a r t i f i c i e l l e , les progrès techniques réalisés dans la conception et

la construction d'accélérateurs et le profit qui en a été retiré par la médecine.

En 1919, Rutherford a provoqué la première transmutation nucléaire par

bombardement de l'azote avec des particules a émises par des sources naturelles,

réaction qui s'écrit : ^ N f o . p ) 1 ^ . I l a cependant fa l lu attendre 1934 pour recon

naître l'Importance de cette découverte. En effet I . Curie e t F. Jollot montrèrent

que le bore et l'aluminium s'activaient par bombardement avec les particules a du

polonium et émettaient des positrons [1 ] .

î^l(a.n)gP_ji_30s1

ouvrant ainsi de grandes perspectives dans la fabrication de radioéléments ar t i f ic ie ls .

Les positrons avaient été découverts deux ans auparavant par CO. Anderson comme

étant des composants des rayons cosmiques, nais leur utilisation en biologie n'est

apparue que bien plus tard.

- 2

Plusieurs radioisotopes de courtes périodes, émetteurs de positrons

tiennent aujourd'hui une place particulière en médecine nucléaire. Leur utilisation

grandissante a cependant i t l principalement déterminée par l'avènement et le dévelop

pement des accélérateurs de particules, des noyons de détection et de 1'Informatique.

Actuellement, U médecine CORSOMN) un grand nombre de radioisotopes

[2-4] . C'est le réacteur nucléaire mis au point par Fend et ses collaborateurs, en

1942 I l'Université de Chicago qui resta, jusqu'en 1960 pratiquement le seul moyen de

production d'Isotopes t usage médical, bien que le premier Van de Graff et le premier

cyclotron aient été construits en 1929 e t 1930 respectivement. Le cyclotron est au

jourd'hui Intensément ut i l isé pour la préparation des radioisotopes destines aux re

cherches et applications biomédicales [3 - 5-6]. De son côté, le Van de Graff est

moins puissant et ne peut produira que de faibles quantités ainsi qu'un noebreflnUé de radio-

isotopes utilisables en médecine [ 7 ] . A l'heure actuelle, cyclotrons et réacteurs

peuvent être considérés coma» complémentaires et petit I petit se dégagent des spé

c i f ic i tés . C'est ainsi qu'en régie générale, I t cyclotron produit de très nombreux

isotopes de courtes périodes, caractérisés par une déficience neutronique et décrois-

'sant principalement par capture électronique ou émission s * , alors que la réacteur

fournit des radioéléments décroissant principalement par émission t". Le mod» de

détection par coïncidence,parais par les émetteurs de positrons, leur confère une

potentialité exceptionnelle dans le domaine médical,et rend possible des applications

particulières auxquelles ne peuvent répondre les isotopes produits par réacteurs.

MÉDECINE ET CYCLOTRON

Depuis la première application médicale effectuée par le frère du cons

tructeur du cyclotron, le médecin John Lawrence qui uti l isa le 3 Z P dans le traitement

de la leucémie, 11 s'est écoulé une quarantaine d'années avant l ' instal lat ion, au

sein d'un complexe hospitalier, d'un cyclotron I usage exclusivement médical. La

raison en étai t le coot élevé de leur construction qui é ta i t 1 l'image de leur com-

plexlté^et qui en faisait des outils exclusivement réservés a des recherches *n

physique nucléaire.

En 1955 Vonberg et ses collaborateurs installèrent i Thôpital de Hammersmith le tout premier cyclotron médical géré par le Hédlcal Research Council.

Ce sont, avant tout, les progrès techniques réalisés qui, en contribuant

i diminuer la complexité des machines, i réduire leurs dimensions et a augmenter

leurs performances ainsi que leur f i ab i l i t é , ont permis l'entrée dans l'ère commer

ciale du cyclotron médical.

- 3 -

Le premier cyclotron Médical qualifié de "ecnpaet", conçu et réalisé par

la f i n * Alls Chaîner* a été Installé en 1965, i VEbole de Médecine de l'Université

de Saint-Louis (Missouri. U.S.A.).

Trente années de progrés réalisés sur les "Machines das physicians" ont

conduit J de considérables «Meliorations de la stabil i té de phase, de la fréquence de

1'alimentation alternative et de la correction des effets relatlvistes.

A ces améliorations fondamentales sont venues s'ajouter une plus grande

souplesse de fonctionnement et une réduction de l'encombrement qui ont considérable

ment abaissé les coûts e t ont permis l'implantation du cyclotron en zone hospitalière

[S-6].

Aujourd'hui, une vingtaine de centres médicaux dans le monde sont équipés

d'un cyclotron "compact" dont l'énergie moyenne st situe entre 10 et 100 MaV/proton .

Des considérations sur le prix d'achat, le coot horaire de fonctionnement, l'Impor

tance de l'équipe technique attachée l l'accélérateur, le potentiel de production,

la f iab i l i té de la machine et les besoins Médicaux les plus courants, permettant d'es

timer actuellement qu'un cyclotron de 20 HeV/proton correspond le mieux eu profil

du "cyclotron Médical". C'est t ce type de machine qu'appartient le cyclotron du

Centre de Recherche du Cyclotron (C.R.C.) de Liège. Les performances de cet appareil

sont rassemblées dans le tableau I- [ 8 ] .

TABLEAU 1

PERFORMANCES OU CYCLOTRON (JE LIEGE

Particules Plage d'énergie en HeV Plage de courant en uA

Protons 2,5 1 21 20 a 70

Oeutons 3 é 13 20 a îoo Hélium - 3 6 a 29 w a so Hélium - 4 6 é 26 îo a so

MÉDECINE ET ÉMETTEURS 6*

La maîtrise d'un cyclotron est un atout considérable pour explorer le champ d'applications des trois Isotopes particulièrement intéressants : g(Tj / 2 «2oin) , 1 3N(T 1 / 2«10«rtn), n c ( T 1 / 2 - 2 0 minutes) auxquels ce travail a été consacré. L'objectif

- 4

médical tst dt profiter de l'énorme potentiel offert par des tracturs biologiques

mrquis avec des radlotraceurs pour étudier "In vivo", chez l'home, des processus

physiologiques, des voles Métaboliques, les transsrisslons des Messages chimiques et

l'action des drogues et medicaments [9-12]. Ces trois Isotopes,qui ne peuvent être

produits que par cyclotron Justifient sur le plan médical l'acquisition d'une te l le

machine pour 1 M raisons suivantes : [4]

• ce sont des Isotopes d'éléments les plus Importants de la biosphère.

- tous les trois sont des émetteurs de positrons et leur détection par

coïncidence permet d'opérer dans des conditions particulièrement favorables de réso

lution spatiale et d'effectuer une correction d'atténuation précise quelle que soit

la profondeur des tissus traversés. Ces possibilités permettent de faire des études

quantitatives et de tomographic transaxiale par émission [13-16].

- I ls donnent, en outre, par vole de biosynthèse ou d'organosynthèse.des

radiopharnaceutiques et des metabolites sans introduction d'hétéroatomes et sans

modification de leurs propriétés physiologiques.

- enfin, si leurs courtes périodes restreignent les applications i

l'étude de phénomènes relativement rapides, les doses de radiations reçues par l'or

ganisme, ou l'organe cible,sont faibles et rendent réalisables plusieurs exploitations

sur le mime patient au cours de la même séance d'examen.

L'Introduction de ces Isotopes dans des molécules biologiques complexes,

si el le ne constitue p u un obstacle Insurmontable reste néanmoins une des étapes des

plus délicates dans l 'ut i l isat ion médicale des radlotraceurs. Cependant, des molé

cules simples conee 1 S 0 2 , C 1 S 0, C 1 S 0 2 , U C 0 , U C 0 2 , U C H 4 , 1 3 N 2 . X 3 N H 3 ,

1 3 N 2 0

ont déjà de nombreuses applications médicales qui se situent surtout dans les domaines

cérébral, pulmonaire et cardiaque [2] [4] [9 ] .

Certaines de ces molécules sont le point de départ de précurseurs radio

actifs de synthèse grfee auxquels i l est possible de greffer sur des molécules plus

complexes, la fonction qui leur donnera le caractère de traceurs biologiques.

Du point de vue du physicien, les applications médicales d'un radioélé

ment ou d'une molécule marquée sont toujours l'aboutissement d'un long travail que

l'on peutsclnderen cinq étapes.

1 . préparation du radioisotope au cyclotron

2. préparation de la molécule «arquée

3. mise en oeuvre du système adéquat de détection du traceur "in vivo"

4. mise au point de modèles biologiques et mathématiques

5. Exploitations médicales proprement dites.

s

Ctrtalnts paraictllts-d nt ntcessltent pas toujours I t passage par ets cinq étapts, nais 11 tst Indlspinsablt qu'unt iquipt qui s'oHtntt vtrs l'utilisation dt rOxygane-15, VAzott-13, t t I t Carbone-U com radiotracers dolt i t r t constituât d'un ptrsonml coapitent tn radlochierie, physlqut t t Instrumentation nucléaire, •atftiaatlqut, Infor** tique t t «tdadnt.

Ctttt nécessite, Hat I eel I t dt disposer d'une structure «edlcale t proxieriti laetdlate du cyclotron peneattant 1'usage I t plus rationnai t t I t plus largt dts isotopes dt courtes périodes, est sans doute le principal obstacle a la Multiplication de telles unites de recherches.

Le travail prisent a été effectue dans le cadra d'un program de collaboration entre l'Université de Grenoble et celle de Liège. C'est la raison pour laquelle, sans nuire pour autant a la cohirence de l'exposé, nous développerons les sujets abordés en les replaçant dans les contextes différents des dtux laboratoires.

P A R T I E I • • • • • • •

f TRAWL EPFECÏÏE A GRSŒf

C H A P I T R E I

OBJECTIFS ET POSSIBILITES BE L' I .S.N.G. DANS LES PflERfUWTHMS DE GAZ RPOIQKTIFS DE

COURTES PERIODES

I - 1 - INSTITUT PES SCIENCES NUCLÉAIRES Ce GRENOBLE (t.S.H.G.)

L ' I n s t i t u t dos ScItncM Nucléaires est une uni t * d'Enseignement e t de

Recherche dépendant de l 'Universi té Scientif ique e t Hédlcale de Grenoble. Sa vocation

de recherche se s i tue dans l e domaine de la physique nucléaire de basse e t Moyenne

énergie. L ' I n s t i t u t dispose d'un cyclotron Isochrone t énergie variable dont les per

formance*, pour les particules légères sont résumées dans le tableau cl -doi ious.

TABLEAU I I

PERFORMANCES OU CYCLOTRON DE GRENOBLE

Particule

protons

doutons

Energie Max en MeV

60

40

Intensité uA

~ S

~ 5 Héllum-3 112 , . S HéHum-4 80 ~ 5

Le temps de fonctionnement de la «échine est consacré a 90 S aux recherches

en physique nucléaire fondamentale et environ a 10 * aux applications biologiques.

Pour l'Instant celles-ci sont orientées vers la production de radioéléments,* usage

•edlcal non commercialisés« qui sont utilisés dans le Service de Médecine Nucléaire

de l'Hôpital de Grenoble. C'est ainsi que pendant plusieurs années une préparation

régulière d'iode-123 a été assurée * l ' I .S .N . [18] et a été abandonnée lorsque ce

radioélément a été commercialisé par le Comotssarlat i 1'Energie Atomique. Cette pré

paration a été par la suite remplacée par celle de Rubldlut-81, générateur de Krypton

81M (19-201. Comme le C.E.A. envisage S moyen terne la commercialisation de ce radio

élément, l'équipe grenobloise a décidé de s'orienter vers la fabrication et l ' u t i l i

sation médicale des radioéléments de courtes périodes, émetteurs de positrons.

-10-

I - 2 - «Jtcnw awMomis

Les fabrications de l S 0 , 1 3 N et U C nécessitent des faisceaux de part i

cules leesres (protons et doutons) de *s1ble énergie (• 10 HtV) et de forte Intensi

té (entre 10 e t 20 un). Le cyclotron de Grenoble est m l adapté I ces exigences et

le premier objectif grenoblois étai t de tester les possibilités de la Machine dans

ce dosai ne. Rapidement, 11 est apparu que le radlotraceur qui pouvait être fabriqué

le plus facilement en quantité suffisante,était l'Oxygène-lS et quelques-uns de ses

dérivés. En conséquence des objectifs Médicaux axés principalement sur l'exploration

cérfbrale et pulaonalre avec ce radioélément ont été définis.

Le but H t de dépister I un stade précoce des anomalies fonctionnelles

dues I des empoussléreges d'origine Minérale. I l convient de noter que ce problème

est un problème social de la région Oauphlné-Savoie oO 1'électrométallurgie emploie

plus de 2 000 ouvriers qui sont exposés aux fumées de silicium et de carbure de

tungstène.

Les méthodes actuelles de dépistage sent toutes traumatisantes (biopsie

pulmonaire ou rinçage alvéolaire), par contre, l 'ut i l isat ion d'un gaz radioactif tel

que 0 2 permet une mesure précise del 'épaisseur de la membrane alvéolo-caplllaire

permettant ainsi la détection l un stade précoce des altérations de cel le-ci .

I ls ont pour objectifs essentiels le test de médicaments par U mesure de

la consommation locale d'oxygène. Ces mesures sont essentielles en gérontologie

puisque actuellement, en France, près de 7 millions de personnes ont plus de 65 ans

et 25 S d'entre elles présentent une démence. Les problèmes soclo-éconemtques liés

aux démences sont considérables. En e f fe t , parmi les 120 l i t s du Service de Neurologie

de l'Hôpital de Grenoble, 10 sont en permanence occupés par des vieillards atteints de

ce type d'affection. Le prix d'une journée d'hôpital I Grenoble est de l'ordre de

700 F, et les médicaments vasodilatators oxygénateurs cérébraux et stimulants du

métabolisme proposés é ces patiente représentent!!» part Importante de l'ensemble des

médicaments, alors que leur efficacité réelle n'est en rien démontrée pour ce type de

maladie.

n-

I - 5 - LOCMJK ET FINMCWEHT

La bâtiment et chimie chaudt st situa 1 proximité du cyclotron. Les sous-

sols dt C M daux constructions sont reliés par un couloir dt 40 mètres passant i pro

ximité ismédlate da l'alvéole H, qui est celle réservée 1 la préparation de radio

éléments I usage médical. Cette configuration est représentée par la figure n°l et

est compatible avec la production d'Oxygéne-15 ainsi que son utilisation dans le

laboratoire dt chimie chaude. La réalisation d'une Installation permettant la pré

paration dt radioéléments da comtes périodes t t leurs exploitations médicales a f a i t

l'objet d'une demande de crédit auprès Ce la D.G.R.S.T. (Délégation a la Recherche

Scientifique et Technique) dont le montant était de 300 kF . Cette demande a été

préalablement examinée par le Pole Régional dt Bénie Biologique et Médical qui lui a

attribué é t i t r e d'encouragement une somma dt 40 kF. Oevant cette attitude des auto

rités régionales,,la décision dt préparer da roxygént-15 I l ' I .S .N. a été prise et

en attendant la subvention dt la O.S.R.S.T., 11 a été décidé que l'allocation du

pole régional du 6.8.M. serait consacrât I la réalisation d'une partit dt l ' Insta l

lation du dispositif dt production.

-12-

F1p. 1 - Incantation i!os voies du cyclotron st da *lVi*rt te chir:-!» c'-sut'e- * 1 '

C H A P I T R E I I

PTOUCTIOn DE L'0XVGEft-]5

I I - 1 - INTRODUCTION

L'Oxygéfie-15 est un radio1sot<-"- de 2,07 «imites de durée de v l« , qui

décroît par ésrisslon B + pure, d'énergie •kxlaun 1,7 HeV, pour alimenter dlractawnt

l 'é tat fondaMntal de l'Isotope stable Azote-15 ( w i r schts» de désintégration) [4 ] .

2.07 «in.

stable

Figura n* 2 : SCHEMA DE DESINTEGRATION DE L'OXYGENE-15

Rayonnement ésris

positron

Pourcentage de désintégration

100

Energie •ax.an HeV

1.70

TABLEAU Ill-a CARACTERISTIQUES DE DESINTEGRATION DE L'OXYGENE-15

(0 Ce radioélément peut être uti l isé pour l e Marquage de l'oxygène moléculaire

de carbone (C - 1 5 0 ) ainsi 1 5 0 ) du dioxyde de Carbone (0 » C » 1 5 0 ) du monoxyde (H 15, 0 - H). L'Oxygène • 15, le C^O et le C 1 S 0 , que pour celui de la Molécule d'eau

peuvent à leur tour Marquer le sang.

Les applications les plus courantes sont les études de ventilation pulmonaire régionale, le diagnostic d'anoMalies cardiaques, l'estimation des débits myocardiques, rénaux et cérébraux, ainsi que la fraction d'éjection du ventricule gauche.

-14-

I I - 2 RÉACTIONS NUCLÉAIRES

La tablaau I I I nontre qua l'0>ygéne-15 ptut i t r t produit t partir da 3

réactions nucléaires [4] [21].

TABLEAU I l l -b

REACTIONS NUCLEAIRES CONDUISANT A L'OXYGENE-15

Isotope

1 5 0

réaction nucléaire

1 4 « d , n ) W 0

abondance Isotopique

99,6

C HaV

5,07

Eseuil HaV

nature de la cible

Isotope

1 5 0

réaction nucléaire

1 4 « d , n ) W 0

abondance Isotopique

99,6

C HaV

5,07 0 gaz

Isotope

1 5 0 1 SN(p,n) 1 5 0 0,366 -3,54 gaz

Isotope

1 5 0

1 6 0(p,pn) 1 5 0 99.8 -15,7 16,68 gaz

La réaction qui conviant le aïeux est la (d,n) sur Vazote-14, car l'abon

dance Isotopique de ce dernier est de 99,6 % dans 1'azote naturel et le bilan éner

gétique de la réaction est positif . Parallèlement t cette réaction principale, des

processus secondaires peuvent se produire. Ces derniers sont rassemblés dans le

tableau IV. Le tableau V, résuat les caractéristiques de production, donne des exemples

de molécules marquées ainsi que les utilisations médicales qui en sont faites.

TABLEAU IV

REACTIONS PRINCIPALE ET SECONDAIRES INDUITES PAR DEUTONS DANS UNE CIBLE D'AZOTE

Reactions 0 en HeV Escu11 M N(d,n) l s 0 5,07

1 4 N(d,«, ) U C

^ ( d . t J ^ N

1 4H(d,2n) 1 40

l^td.dn) 1 3 »

1 60(d,on) 1 3N

-5,14

-4,30

-8,115

-10,55

-7.44

5,88

4,91

9,27

12,06

8,37

• 1 5 -

TABLEMJ V

CARACTERISTIQUES DE PRODUCTION, OE tlARQUAGE

ET D'UTILISATIONS MEDICALES DE L'OXYGEME-15

Radioisotope

1 5 0

Hlthode de production

cyclotron

Reaction utilisée

Abandance Isotopique en % Q HeV Radioisotope

1 5 0

Hlthode de production

cyclotron 1 4 N(d ,n ) l 5 0 99,6 5,07

Eseu11 en NeV

période en «In.

Rayomeaent êais e t E^y

Molécules •arquées

Applications nédlcales

0 2,07 1*

1.74

c"o

c»o2

h/o

• conscmatlon cérébrale d '0 2

- ventilation régionale pulmonaire

- débit sanguin régional pulaonalre

• inoMllés cardiaques

- fraction d'éjection du ventricule gauche

• débit sanguin rénal

• dibit sangulneyocardlque • débit sanguin cérébral

I l - 3 - DESCRIPTION DE L'INSTALLATION NÉCESSAIRE "OUR LA HUUCTION O'OKVGÉNE-15

La préparation de radioéléments de courtes périodes se f a i t en plusieurs

étapes dont la succession est schématisée par la figure n* 3. Cette fabrication est

réalisée par Irradiation d'une dble qui peut être solide, liquide ou gazeuse. Le

radioélément est extrait par un courant gazeux soit en continu, au fur et 1 Mesure de

sa fomatlon, soit en f in d'Irradiation. A la sortie de la chaebre le gaz passe dans

un circuit de purification et de aise en forât où 11 est soit débarrassé de ses la -

puretés, soit converti sous une fore» gazeuse déterminée. A partir du circuit de pu

rification , ce gaz est amené, par 1'intermédiaire d'une canalisation, vers un local

où sont réalisés des contrôles de pureté et des assures d'activité. Après cette étape

le gaz peut être soit directement uti l isé (voie \)\ soit servir a des marquages de

aolécutes ou des synthèses de coaposés biologiques (vole ( 2 ) ) .

-16-

gaz cible ou

gaz vecteur cible

utilisation

(purification let mise en Harm»

analyses chi-miques et ra. diochimiques

<î>

mesure d'activité

. faisceau

&

traitement chimique

con frôle de pureté

mesure d'activité'

utilisation

riej. 3 - SchéB» nontrant 1'enchaînement des di <*fsrertes nhases de prêoaration et

de contrôle d'un produ-t.

-17-

Il - H - RÉALISATION EU DISPOSITIF A GRENOBLE

ll-H - maMaREP'lMMMATlOII

Cette dernier* est conçue pour contenir une cible gazeuse et assurer une

production en "circuit ouvert" ou few». Sa longueur a été calculée de Meniere a ce

que le gaz cible dégrade les 6,3 MeV du faisceau de deutons incidents. En effet , le

choix d'une tel le énergie a été fa i t pour éliminer les 3 dernières réactions,reprises

sur le tableau IV,qui ont des énergies seuils plus élevées.

- Relation donnant la longueur de la cible en fonction de l'énergie t dégrader

Le ralsonneewit est l t suivant : on adnet que le gaz, é l ' intérieur de

la chantre d'Irradiation, se conduit comte un gaz parfait. I l obéit I la loi PV • nRgT.

Pour un volt»» donné, l t nortre de nolécults cibles dans la chantre d ' i r radiation est :

V (chantre). P Ht m—I '. N

» . « .'O (1)

oB ftj « constante des gaz parfaits

n - noetre de noies

H - «entre d'Avogedro

(V chantre) • Volve de la chantre

t • pression dans la chaabrt d'Irradiation

K » pression dans les conditions nomles

Lt Metre d'atones par cm3 est :

Z .JS3» £ - N . 22,4 P. T

oo » •« «esse spécifique du gaz en g/or

P ^,4.P» (2) A • nasse atonique en g

-18-

Pourqj1 une certaine quantité d'inergle soit complètement dégradée dans la

chaabre d'Irradiation, le parcours de la particule chargée qui entre avec E i et

sort avec E f est R « cL en g/cm2 voir la determination des parcours plus loin) où

R est le parcours dans le gaz et L le longueur de la chambre.

• " V (3)

La comparaison des relations (2) et (3) donne la longueur de la chaabre en CM.

(4) L • 103.11,2.R.P» cm XT

Localisation de la chambre et Irradiation

La chambre d'Irradiation est en aluminium t t • été entièrement réalisée

i l 'a te l ier de mécanique de l ' I .S .N . . Elle est constitute d'un tube central de 3 CM

de diamètre et de 60 CM de longueur, entoure latéralement et sur le fond par une

"cheMlse" de refroldlssenent. Celui-d H t assuré par une circulation d't iu déslonlièe.

A l'avant, la chambre porte une bride qui s'adapte tu dé d'Irradiation et est obturée

par une fenêtre Mobile dont l'épaisseur est détonainée par l'énergie des particules

'incidentes (figure n* 4 ) . Pour avoir une production aexlasle, l'énergie incidente doit

être dégradée dans le gaz jusqu'à l'énergie seuil de le réaction ou tout au Moins

jusqu't une énergie qui Minimise la contamination par I ts réactions secondaires, de

façon ê Intégrer le maximum compatible de la courbe de section efficace.

A Grenoble, pour des raisons de simplicité, nous avons uti l isé le gaz

cible i la pression atmosphérique.

La conception des chambres d'irradiation pour cibles gazeuses s'appuie sur quelques considérations générales Importantes :

- les matériaux :

i l s doivent être robustes, facilement uslnables, s'activer le moins

possible, et surtout ne pas accumuler des radioisotopes de longues périodes. L'aluminiun

remplit ces conditions et est peu coûteux . Cependant, 11 faut éviter d'assembler les

différents composent* par serrage sur joints..En ef fe t , ceux-ci, sous l'Influence d'un

echtuffeaent, dégazent et contaminent la production, aussi les assemblages par soudure

s'Imposent chaque fols qu'11 est possible.

-19-

Sort).* gaz

Entree gaz

15„ F1g. * - Coupe de la cible pour la préparation de "o«

20-

C'est U que réside le principal obstacle pour ce métal d i f f ic i le a souder dans des

conditions de parfaite étanchélté (porosité des soudures).

L'acier Inoxydable présente peu d'Inconvénients • cet égard nais s'active

plus sous l'impact du faisceau. Son prix est aussi plus élevé.

• Le choix dis fenêtres

Celui-ci est très Important, surtout pour la production de radio-

Isotopes i l'aide de petits cyclotrons qui n'atteignent que des énergies peu élevées»

e t «u ' i l faut éviter de dégrader dans une fenêtre trop épaisse. Cette dernière doit

cependant être usez robuste pour supporter des pressions de l'ordre de 2 a 3 Kg/cm.

A Grenoble, les faisceaux de deutons de basse énergie les plus reproduc

tibles se trouvent être ceux dont les énergies se situent entre 15 et 20 HeV. La

figure n* 5 représente l'épaisseur de la fenêtre d'entrée en aluminium nécessaire pour

ramener l'énergie du faisceau I 6,3 HeV.

• La position de 1'entrée et de la sortie du gaz, P*r rapport

au faisceau. En ef fe t , un maximum du volume i irradier doit intercepter celui-ci et

les entrées-sorties doivent être placées de façon ê favoriser une homogénlsatlon du

gaz irradié. La première est ménagée radlalement dans 1a bride avant de la chambre

et la seconde I l 'arr iére.

I I -4 -2 - Mnm P np PmmcaTraii FT PC MISE m BMHE

I l est constitué par des pièges t la température ambiante pour la pu

rification, et de réactifs chimiques placés dans des fours ê des températures appropriées,

pour la conversion du gaz sous la forme chimique désirée.

La figure n* 6 représente le module de purification et'de mise en forme

du Centre de Recherche du Cyclotron de l'Université de L1êge,o0 une Importante partie

du travail de thèse a été effectuée. Le tableau qui suit donne 1a nature des Impuretés

produites dans la préparation dis trois radioisotopes ( 1 5 0 , 1 3 H et n C ) , les réactifs

utilisés pour leur elimination et leur mode d'action.

Ax «n mm

opl

10

c f alsca au • n Mev

2 0 30 40

Fig. 5 - Epaisseur d'AI nécessaire pour ramener l'énergie du faisceau a 6,3 HeV.

- M -

• X -

t,

ENTREE

- *4-

- * « -

•X-

7

e

- • « -

- M -

C actif 900* c

Zn 390* c

soda llmt

- K - CaclM «00* c

CuO •00* c

C actif Cu

MnO,

C u O •00* c

CuO 800* c

MfCIOJjJ- soda

jsinmav. Cu

CuO •00* c

MHC10 t l j

- •4 -

• X -

- M -

- M -

- M -

>**-

- M -

- > • *

-K4-

c«o

c«o 2

«r,

nC0

SORTIE

CO,

clbU i j r CIDI* -I

""• fit-] ' X fclbl* 1

1 |_gaz«uM J

Fig. 6 - Dispositif de purification des différents gaz radioactifs (Liège).

-23-

TABLEAU Vt

IMPURETES PRODUITES ET REACTIFS UTILISES

Font

ChMqut Piège ou reactif node d'action

co2 -SODA LUC (chaux sodée)

- fixation sous f o n t de carbonates

- Zn 1 390'C - reduction du C0 2 en CO

CO - CuO < 800'C - oxydation du CO en CO,

CH4 - CuO I 800'C - oxydation en CO.+HjC

HCN - spirale de Cu - adsorption

«2 - CuO 1 800*C - oxydatlonen HO

H20 - K9(C104)2 - adsorption par hydratation

- Silica gel - adsorption par hydratation

°3 * HnOo • conversion, en 0» - SODA LIME - decoaposltion en oxygène 0 2

NO - CuO - oxydation NO en N0 2

N02 - Spirale de Cu - adsorption

- SODA LIME - decoaposltion par fonction de nitrates et nitrites

- trtéthanolaalne - condensation

NjO - Charbon act i f • adsorption

A Grenoble, seule la partie se rapportant 1 la preparation de 1'oxygène Moléculaire

•arqué 0 2 (0 • 1 5 0 " du aonoxyde de carbone C l 5 0 et du dloxyde de carbone C 1 5 0 2 a

été construite, (cf. FIg. 7 ) .

H-4-2-A- P î tos mnins

La purification de l'oxygène aoléculaire «arqué l 50 2 >nécess1te l ' é l i a i -natlon desoxydes d'azote (N 20, NO, N02) et de l'ozone qui sont foniés pendant l ' I r radiation de la cible. Cette purification est assurée par trois pièges, i température aab1antevp1acés dans le circuit de circulation du gaz extrait de la chaabre d'Irradiation. Oeux d'entre eux sont constitués par des tubes de pyrex contenant l'un du charbon actif (absortton de N2O) et l'autre du dloxyde de Manganèse iMfe Démettant la

C actif 900'C

Zn 390*C H-serrai

l»me r ->-*nC'50

- * * - -*>- C actif 400*0

CuO 800#C -»—*- -IS c10q>

J1-*-*- C actif Cu

-|MnQ2|- +J15o,

Fin. 7 - Itartpe de purificition 1 Grenoble.

•25'

décomposition catalyttque de l'ozone suivant la réaction :

20 3 • 30 2

Le troisième piège est constitué par un tube de cuivre de 1 «être de longueur enroulé en spirale et permettant 1'adsorption du N02 avec une bonne eff icaci té. La ligne servant 1 la préparation du C O comporte un piège en pyrex contenant de la chaux sodée qui permet l 'é l 1*1 nation du dioxyde de carbone par réaction icide-base.

TI-q-7-B-prfcPS CHAUDS

Les lignes de production de C O et de C 0 2 comportent

quatre fours dans lesquels des tubes en quartz, contenant des réactifs

chimiques, vont se loger.

- ligne C 1 5 0

Un piège de charbon actif est placé dans un four a 900° et

va transformer l'oxygène moléculaire en CO par la réaction.

2C + 0 2 • . 2C0 (1)

Cette réaction est en réalité la somme de deux autres qui peuvent s'écrire :

20 2 + 3 C ( .> 2 C 0 + C ( J 2 2 j

et

C0 2 + C > 2C0 (3)

Dans la réaction (3), l'équilibre est déplacé vers la droite par une

élévation de température et un excès de carbone par rapport i C0 2. Dans

les conditions adoptées, la conversion chimique de 0- en CO et C0 2 peut

être considérée comme totale. Le gaz est ensuite débarrasse du C0 2

restant par passage sur un piège a zinc maintenu a la température de

390°C. A cette température la réaction de réduction suivante a lieu

CO- + Zn • ZnO + CO

-26-

Pour que le taux de conversion soit (levé, la surface de contact gaz-zinc doit être la plus grande possible. Pour cela, on utilise le zinc en poudre t une température aussi élcvic que possible, nais Inférieure * sa température de fusion qui est de 419*C. Cela minimise en plus le temps de transit du gaz dans le piège.

- ligne C 1 5 0 z

La préparation de d1oxyde de carbone est limitée par la réaction (3 ) .

Cette réaction a un rapport q"ântît l de CO2 q u 1 p a s s c p a r

un maximum pour une température de l'ordre de 400'C. L'oxyde de carbone formé est totalement oxydé en C02 P*r passage sur l'oxyde de cuivre CuO I 800*C. La réaction d'oxydation s 'écr i t comme suit :

CO + CuO ' Cu

Les tubes en quartz allant dans Tes fours et contenant les réactifs chimiques ont été réalUés par les Etablissements Ballly-Ferrot ds Grenoble. La construction nés fours entièrement réalisée par nous sera traitée au chapitre III.

II—5- CIRCUIT PE PRÉPARATION DE L'OXYGÉNE-15 ET MODE OPÉRATOIRE

La chambre d'irradiation reçoit le gaz qui est i la fols gaz-cible et gaz-vecteur de deux bouteilles d'azote et d'oxygène placées contre le mur extérieur de l'alvéole H (cliché n" 1). La composition du mélange et le débit du gaz sont ajustés grice a deux débit -mètres i bille Installés dans une enceinte en plexiglas fixée sur le

-27-

Cllchi n* 1 - Dispositif dt cosaandt du dibit gazeux t t dt regulation dts fours

t l iche n° 2 - Cible et nodule de purification ou de conversion de l'Oxygène-15

-28-

mur de Talveole, I proximité des bouteilles. Dans la nine enceinte est place le

coffret de commandes du système de regulation das fours.

Le gaz est acheminé vers la chambra d'Irradiation par une tuyauterie en

acier Inoxydable de 4 M de diantre Intérieur et 6 m de diaattrt extérieur qui t ra

verse le aur de l'alvéole par un passage de cable.

Dans l'alvéole, la tuyauterie circule le long des parois jusqu'au niveau de

la chantre d'irradiation. Le tube formant cette tuyauterie étant commercialisée par

longueur da 6 Mitres, les différents éléments sont reliés par dts raccords spéciaux,

étanches, en acier Inoxydables de type C.T.I.H.B. 76. L'extrémité de la tuyauterie

rigide est soudée I un tube flexible spirale, i spires parallèles serrées (type tombac)

dont l'autre «xtréelté est «unie d'un raccord staublt permettant une adaptation rapide,

étanche et démontable sur la chaabrt d'Irradiation.

La sortie des gaz de le chambre d'Irradiation se f a i t par un circuit semblable

qui les envole vers le module de purification et da aise en forât placé sur le aur,

dans l'alvéole d'Irradiation Clichén* 2 ) . La figure n* ^ schématisa et module. Ainst

l'alvéole d'Irradiation abrite l'essentiel de l ' Installation de production, de nise

en forme et de purification des gaz radioactifs. Cette solution économise la construc

tion d'un blindage, supprime le problème de ventilation t t assure au personnel un

maximum de sécurité.

Le gaz irradié est conduit par une canalisation le long d'un couloir ovoTde

souterrain vers le laboratoire de chimie chaude. La canalisation débouche dans un

couloir séparant le local destiné aux traitements chimiques et aux mesures,de celui

destiné 4 l 'ut i l isat ion du produit. Ce point d'arrivée devra être équipé pour la dis

tribution, les réglages, les mesures de débits et d'activités.

I I - 6 - ESSAIS HE PRÉPARATION p'CKYG&iHS

Pour la préparation de l'oxygine-15 deux réactions ont été testées : 11 s'agit de 1 4 N(d,n) 1 5 0 «t 1 6 0(p,pn) 1 5 0

H-S-l-Rfeu^lWid^) Cette réaction est la plus couramment utilisée t 4 J dans les centres

produisant les radioisotopes de courtes périodes avec des petits cyclotrons. En effet , un faisceau de deutons d'assez basse énergie et ayant une intensité de l'ordre de

-29-

10 MA perMt la preparation de l'Oxygène-15 et usure des concentrations radioactives

élevées (100 1 300 «Ci M l * 1 ) .

L'énergie qui réalise un compromis entre une production d'Oxygène-lS optimale

et une production minimale d'impuretés radiochlitiques (principalement 1 3 H et l l C ) se

trouve être de 6.3 NtV. A Grenoble les preaiers essais ont portes sur la reproductlbl-

11té des faisceaux de deutons de basse énergie ayant une intensité aussi élevée que

possible. Une série de "développaient de faisceaux" a peraris de «entrer que la Meil

leure reproductlbl 11 té des performances de la Hchlne est obtenue par des énergies

de deutons d'au moins 15 HtV, l ' intensité des faisceaux variant entre 3,5 et 12 «A

avec une valeur Moyenne de l'ordre de 5 »A.

I l s'agissait alors de tester les possibilités offertes par ce type de

faisceaux,dans le cas d'Irradiation d'une cible gazeuse constituée par un mélange de

96 X d'azote et * t d'oxygène qui est le Mélange le plus couramment utllisé.T 4 J. La

construction de l ' Installation décrite précédemment venant juste d'être entamée et

devant demander plusieurs m i s , i l a été décidé d'uti l iser pour les premiers essais

une installation provisoire comprenant :

- une chambre d'irradiation ayant servi préalablement I U préparation de 8 l M> t l'aide d'une cible gazeuse,et modifiée pour permettre une circulation de gaz

pendant l ' i rradiation. Sdtémetiquement, c'est un tube en aluminium de 3 CM de diamètre

e t de 60 ca de longueur ; la fenêtre d'entrée qui reçoit le faisceau est constituée

par une feuil le d'aluminium de 0,1 mm d'épaisseur. La relation donnant la longueur de

la chambre d'Irradiation en fonction du parcours nous permet de prévoir que ces d i

mensions sont suffisantes pour dégrader totalement l'énergie de 6,3 HtV des deutons

incidents sur de l'azote ê la pression atmosphérique.

Sur les parois de la chambre, i environ S CM des extrémités, sont soudés 2

tubes d'aluminium ( • « 1 cm, 1 • 3 cm) sur lesquels peuvent se raccorder les circuits

d'arrivée et de départ des gaz.

La composition du gaz irradié,ainsi que son débit,sont ajustés i l'aide de

deux débitmétres t b i l l e . Bouteilles de gaz et dêbltaètres sont installés dans le

laboratoire de chimie chaude. Des tubes de rilsan de * m» de diamètre Intérieur et

6 mm de diamètre extérieur relient les bouteilles i la chambre d'Irradiation. Avec ce

dispositif, les expériences entreprises ont porté principalement sur la détermination

du teMj» d'Irradiation nécessaire pour obtenir la saturation radioactive en fonction

du débit gazeux, la valeur de cette activité ê saturation en fonction des intensités

de faisceaux Incidents,des essais d'Identification des produits forais, la purification

"-3e-

de l'Oxyglne-15 et la mesure des activités produites.

II-6-1-A-TEMPB D'tWaniATIttJ CT ACTIVITE A SATUBâTtflN EN K H C T I O N PU DEBtT

Une détermination du temps d'irradiation nécessaire 1 l'obtention de l'ac

t iv i té maximale a été faite en fonction des débits imposés. Ce dernier était mesuré

depuis I t début de l' Irradiation jusqu'au plateau de saturation de l 'act iv i té .

L'évolution de l 'act ivi té I saturation en fonction du débit a également été

suivie et un compromis acceptable activité-débit gazeux a été trouvé pour un débit de

l'ordre de 2,7 ml . s " 1 , ce qui correspond a un temps de transit de l'ordre de 4,5 rnn.

n-fi- l-B-ÀTTIVI-nt à SITUATION FN RJHTTinM PE L'iHTFHSmJ DU CAISCEAU

Une fols les deux facteurs précédents fixés, nous avons essayé de repré

senter l'évolution de cette activité en fonction de l'Intensité du faisceau incident.

La figure n" 8 représente la courbe obtenue et nous pouvons conclure que dans la

plage d'Intensité explorée, la croissance de 1'activité est pratiquement linéaire.

Il-6-l-C-fSS*T5 n'irfMTTFirATTflM PB PfWillTS EUES. Nous avons voulu rechercher les contaminants radioactifs et chimiques qui

étalent formés par. Irradiation d'une cible gazeuse contenant 96 S d'azote et 4 S

d'oxygène avec des deutons de 15 HeV.

A) Contaminante radCoaatifs

L'identification des produits formés se faisait par spectrométrie Y ou par

étude de décroissance dans le cas de radioéléments se désintégrant par émission s +

pure.

Oés les premières mesures 11 s'est avéré qu'une Identification par spectro

métrie y serait t r is délicate pour identifier des Impuretés i l 'état de traces, car

le bruit de fond ambiant était très important. Les spectres Y d'échantillons gazeux

n'ont montré qu'un rayonnement très intense a 511 keV. Toutefois sur certains enregis

trements 11 a été possible de situer une émission Y vers 1 300 keV qui pourrait être

le rayonnement de 1 294 keV de l'Argon 41 . Celui-ci pourrait être produit par reaction

(d,n) sur l'Argon 40 qui serait présent dans les bouteilles do gaz utilisées. Le cliché

n° 3 donne le spectre Y de l'échantillon gazeux.

Ac h vile (m Ci)

2 0 - À

10- x /

/ / — i — i i i , i i • • • » • • • ' (_

5 1 0 Intensité <>A>

Fig. f - Activité ji saturation on Oj, en fonction de l'intensité du faisceau.

20 minutes

15 11 Fig. 9 - Décroissance d'un échantillon de naz. Mettant en evidence 0 et C.

•33-

Client n* 4 - Pilots utilisés pour dis u t i l s d'Identification des produits

forais par réaction 1 4 N ( d , n ) i 5 0 .

Evacuation

^

( . 195,8*C) ltq+»ol-

ffl:

Gaz

a-Nj liq. * " * " * F«?* KM»0< . NiOH

I J L\Z9,7'C)

Fi-.. 10 - IrHantntion t!es différents pièces nour la préparation de 1 5 0 ,

•34-

3a »

Cliches n" 3 - Spectres T d'un échantillon de U 0 (3b est la dilatation verticale du

spectre 3a Montrant l'absence de contaminants).

• Décroissance du gaz

Une étude de la décroissance de la radioactivité d'un échantillon de gaz

net en évidence deux périodes de 2,0 t 0,2 Minutes et de 20 + 3 Minutes (figure n° 9)

qui sont respectivement attrlbuables I 1 5 0 et l l C ; et dernier ce trouve certainement

sous la forme de " C 0 2 (obtenu par recombinaison de 'C avec une Molécule d'oxygène).

La présence de ^COg dans les gaz Issus de la cible n'est I priori pu très gênante

car i l est facile de retenir ce dernier dans un piège I soude ou I chaux sodée.

B) Contaminant» cftimiauta

La capture d'un deuton par un noyau d'azote entraine la formation d'un atome

"chaud" d'oxygène-15 qui peut se recoabiner avec les atomes ou molécules qui l'entourent ;

par recombinaison avec l'azote 11 pourra engendrer des composés tais que N^O15, MO15

et NO 2;avec l'oxygène 11 pourra donner 0*1 ; la proportion de ces impuretés pourra varier

suivant la composition du gaz cible. Des tentatives pour estimer la proportion de

ces différents composés dans les gaz Issus de la cible ont été effectuées. Ces di f

férents essais peuvent se résumer de la manière suivante :

• Plègeages individuels

Nous avons essayé de retenir chaque oxyde par une succession de pièges

placés sur le circuit d'arrivée des gaz au laboratoire de chimie chaude

(cf figure n° 10 et clichés n" 4)

-KMn04 a pour rSIe d'oxyderHO en fW2

-Ho est retenu dans 1a solution ferreuse sous la forme de complexe Fe(HG) +

- le piège S pentane solide • pentane liquide ( T f * 129,7°C) doit permettre la condensation d'une partie de NjO ( T f - 90,8°C), une partie de 0 3 ( T ^ < 111,9'C) et

et enfin un piège d'azote liquide (-195,8"C) condense les restes de 0 3 et

N20 ainsi, malheureusement,qu'une partie de Oj.

•35-

Las masures dt décroissance real1sets sur chaqut pllgt montrent qu' i l

y a dans tous du Carbone 11 «t qu'i l tst Impossible dt determiner la radioactivité at

tribuât I t aux différants oxydes. Pour éliminer I t dloxydt dt carbont on a placé an

téta du dispositif un pllgt J souda qui r t t l tn t aussi NOg. Dans cas conditions on a

retrouvé un ptu dt Carbont 11 dans I ts autrts pièges tais tn quantité t r is fa lbl t et

la radioactivité dt chaqut piège «st Inféi turt I 5 X dt la radioactivité globale en

Oxygéne-15. Pour entraîner les différents contaminants qui se trouvent a l 'état de

traces on a introduit des eolécul»s"fro1dts"N0 et N20) dans le circuit . Nous n'avons

constat* aucune «edification dans Its résultats des ««sures. En conclusion on peut

dire que la radioactivité Imputable I chaque oxyde est Inférieure a S t de l 'activité

globale en Oxygène 15, w i s i l n'est pas prouve que l 'act ivi té de chaque piège n'est

pas due I 1 5 0 2 qui pourrait être adsorbé sur Its parois ou dissous dans les différentes

solutions. Ces ««sures Montrent seulement qu'aucune estimation sérieuse ne peut être

fa i te sans un système d'analyse, dt séparation t t dt mesures appropriés • Cornet nous

I t verrons plus loin, l'appareil le mieux adapte au point dt vut précision, sensibi

l i t é t t f iab i l i té est le chromotographe en phase gazeuse. L'achat d'un tel appareil ne

pouvait s'envisager au moment où ces mesures ont été faites et les tentatives d'em

prunt sur la région grenobloise se sont révélées vaines, ce genre d'appareil ne semblant

pas équiper les laboratoires locaux... . .

Dans les conditions d'expériences que nous résumons dans le tableauVII nous

avons réalisé des mesures de la concentration radioactive en Oxygène-15 du gaz dans le

laboratoire de chimie chaude;les mesures ont été réalisées a l'aide d'un détecteur Ge-LI

de 40 cm3 et dont la resolution a 1 HcV est d'environ 3 keV. Pour ce faire i l a été

nécessaire d'étalonner préalablement la diode,et nous avons établi une relation qui

donne l 'act ivi té de la source en fonction du nombre d'événements enregistrés, du rap

port d'eabranchementdu niveau, de l 'eff icacité du détecteur pour le rayonnement énis,

du temps de comptage et de la distance au détecteur .. En prenant la distance en

mitres et le temps de comptage en minutes, nous obtenons une activité en mCl donnée

par la relation suivante :

A • activité en mC1

N • nombre de Y détectés b « rapport d'eabranchement du niveau

e • coefficient proportionnel a l 'eff icacité du détecteur pour le rayonnement

considéré.

36-

d « (Hstance au détecteur (en • • ) •

t • temps de comptage (en m. )

- Résultats

Dans les conditions d'expériences figurant dans l e tableau VII.,on prélève

un échantillon de gaz dans une ampoule de 60 al ; on effectue un comptage y a l'aide

de la Jonction préalablement étalonnée. L'activité y est estlaée i : Ay - 6,0 mCi ;

l 'act ivi té &* est donc A g

+ « 3,0 «CI ce qui correspond a une activité volumique de

50 nCI. M l ' 1 . Pour estimer l 'act ivi té en U C on a refait un comptage de cette ampoule

15 minutes après. On trouve que cette activité est de 28 uCi ml" 1 (activité ramenée

1 l'Instant du premier comptage). On en déduit donc que celle en 0 1 5 (sous forme

d'oxygène ao1écula1re)est de 22 u Ci a l " 1 , ce qui donne Une production en Oxygéne-15

par uA de :

t B4'UC1.M1* 1.IIA*'

TABLEAU VII • CONDITIONS D'IRRADIATION ET D'EXPERIENCE

Paramétres Valeurs en nature

Courant cible 5,5 UA

Energie de départ 18 HeV

Réaction utilisée l*N(d,n) 1 50

Gaz de balayage 96XN2 + 4S02

Pression au niveau de la

chambre d'Irradiation | pression atmosphérique

Débit gazeux 4,62 ml/s.

II-6-l-E-ESSéuXA.ÊiiM

Des essais, en dégradant l'énergie du faisceau jusqu'à une valeur de 6,3

HeV t l'aide d'une feuille d'aluminium de 0,9 M d'épaisseur, ont montré que :

- le gaz radioactif décroissait avec une période unique de 2 minutes mon

trant ainsi la seule présence de l'oxygéne-15.

-37-

Le rendement de préparation du gaz «tait de l'ordre de 6 uC1.wl.uA pour un

mélange gazeux 96 * Nj et 4 X 0 2 t t pour un dibit de 4,6 ml. sec* 1 .

II-6-1-F -taatPiATiQM EN REGIME SBH-WMMICUE

Un «ssal d'Irradiation en régla* s**1-dynamique a été fa i t dans le but d'aug

menter l 'act ivi té par un* irradiation plus longue d'un même échantillon gazeux, pour

compenser les limitations en Intensité du faisceau.

La circulation de gaz a été suspendue pendant une dizaine de minutes,durant

1'irradiation.puls ensuit* rétablie. En procédant ainsi , nous avons pu enregistrer -1 -1

un* production de l'ordre de 7,5 uCi.ml *.MA * .

Dans ces conditions d'irradiation l'Inconvénient est d* favoriser 1'accumu

lation des contaminants de plus longues périodes tels que 1 * U C .

I I - f i . 9 - p j t i f T i n W % > . P M ^

Dans I * but de tester la possibilité d'util iser ! • a i * * faisceau que celui

servant « la préparation hebdomadaire du Subidiu* S I , nous avons réalisé une irradia

tion d'une cible d'Oxygène avec un faisceau de protons de 30 MeV et de 3,2 uA. Le

débit gazeux était de 5,1 n i . * * 1 . L'activité produit* était d* 4,5 U C L B I ' ^ U A ' 1 .

EU* *st ainsi plus fa1b1*-qu* dans 1* cas précèdent, c'est l'une des raisons

pour laquelle cette réaction a été abandonne* au profit d* la (d.n). ot- plus, 1* • » -

nlpulatlon de cible d'oxygène pur «t son transport dans des canalisations en matière

plastique comportent certains risquas.

H-6-5- BILAN SUB LES EXPÉRIENCES BAITES À 6BENCBLE

Dans tous les cas, les activités obtenues sont nettement plus faibles

que celles obtenues par d'autres équipes. La médiocrité d* ces résultats peut part iel

lement «tr* expliqué* par un mauvais balayage de la chambre d'Irradiation par le gaz

clbl* ( la position relative des «ntrée-sorti* n'étant p u adapté*) et par un* absorption

important* d* Toxygen* par les tubes ri lsan.

Les résultats expérimentaux que nous avons enregistré n'ont qu'une valeur

indicative et ne permettent que d'estimer l'ordre de grandeur minimum des activités

qui sont disponibles au laboratoire d* chimie chaude. Ces mesures auraient dO être re

faites en utilisant le dispositif déf ini t i f des son achèvement.

http://uC1.wl.uA

C H A P I T R E 1 1 I ^nmm-m m » . » ••.•• • • • •

FABRICATION Œ S FOURS ET DE LEUR REGULATION

Les fours et leurs hlguîatitfns-destinés i équiper le module de purification

de l ' Installation de production dis gaz radioactifs S Grenoble ont été entièrement

fabriqués sur place. I ls ont été calculés pour répondre aux caractéristiques suivantes :

• température maximum ; 1 OOO'C - tension : 220 V

- courant i 10 A

- puissance : 2 000 W

I I I - 1 - PWT1E rÉCANIOUE

Un four se présente en 2 parties demi-cylindriques parfaitement identiques,

articulées avec une charnière. Cela permet un accès aisé aux tubes de quartz contenant

les réactifs, qui doivent pouvoir être changés i tout moment. En outre, ces fours

sont conçus pour être facilement démontés, dégager la résistance et permettre un rem

placement en cas de rupture. Chaque partie renferme une résistance de 11 8 entourée

par un isolant thermique.

III- l - l - HSTAILSHTIACtBIF

Elle est constituée par une télé en ader inoxydable de 1 ma d'épaisseur,

420 mm de longueur et 314 mm de largeur, cintrée en un demi-cylindre de 200 nu de

diamètre. Les cotés demi-cylindriques sont refermés par une plaque soudée i l 'arc,

dans laquelle on a dégagé un demi-cercle de 80 mm de diamètre pour dégager le volume

uti le du four. Voir figure n* 11.

-40-

III-1-2 - BÉTAIL PU DBMI-CTLINPRF INTERNE

C'est un tube en acier Inoxydable de 80 mm de diamètre et de 2 M d'épais

seur, coupé dans Te sens de la longueur. Sur sa partie convexe est fixé l'élément

chauffant. Ce dernier est constitué par un f11 spirale, en alliage de chrom-nickel

(80 Ï -20 Ï ) de 0,9 mm de diaaétre (Atelier d'Electro-Thermie, MEYLAN). Sa réslstlvlté

est de 2,5 a/m et 4,5 «êtres de f i l sont nécessaires psur faire la résistance. La

longueur apparente de 1'enrouleaent est ajustée a 800 me, ce qui permet de glisser la

résistance dans les rainures d'un support constitué de barillets en porcelaine (Eta

blissement ISNARO, Grenoble), enfilés sur une tige d'acier f i le tée , qui est fixée par

pattes et boulons sur le déni-cylindre Interne en acier inoxydable. Les extrémités de

la résistance sont isolées électriqueasnt par des perles en porcelaine. La figure n* 12

schématise cet élément, la résistance y est représentée vers le haut pour montrer 1*

manière dont e l le est logée dans le support;en réal i té , e l le est orientée vers le

demi-tube pour usurer une transmission maximum de la chaleur vers l ' intérieur.

I I I - 2 - ISOLATION THERMIQUE

Pour éviter la dissipation de chaleur dans des directions autres que celle du

voluee utile du four, l'espace qui reste libre dans la deni-coque est comblée par des

découpes en fibre de verre (Durablanket, Ets Laurent, St. Priest) placées cote i cote

et ajustées au mieux S la forme du support en porcelaine.

I I I - 3 - ACHEVBCiT DU FOUR

L'autre moitié du four, parfaitement identique, va venir s'articuler sur un

cSté, par une charnière piano. Aux extrémités du cylindre Interne, on place des anneaux

de protection en matière réfractaire (graphite) qui laissent le passage au tube en

quartz centré sur l'axe longitudinal du four. Oe cette manière, les raccords métalliques

du tube, comportant des bagues de serrage en téf lon, ne souffrent pas d'un excès d'é-

chauffemtnt.

Les éléments chauffants des deux demi-fours,reliés en série,constituent une

résistance électrique totale de 22 a qui,sous une tension de 220 V, peut donner une

température de 1000°C dans le volume uti le de 2 dm3. La puissance totale du four est

ainsi de 2 kW, so i t 1 kW/dm3.

La figure n° 13 représente le denri-four complet, alors que le tableau V I I I résume les.caractéristiques du four f i n i . Ce dernier est représenté par les clichés 5a et sb.

-41-

Flg. u - carcasse extérieure du four

lift ém fixation

porlts «n porctiaint pour isolation

support dt rtsîstanc» tn porcelaine

résistance i tub» m acier inox

tige et tcrous de fixation

Fig. n - demi tube et résistance chauffante

cylindre» en graphite coque en ac ier

inoxydable

"w>»i»r* isolant»

hae filetée wpporlanl

' • * barillets

!•'I<j. 11. - Demi-four avec l e s cy l indres I so lants penaetldnt de supporter l e tube de réact ion.

«43-

TABLEAU V I I I COMPOSANTS DU FOUR ET SES CARACTERISTIQUES D'UTILISATION

1 # PSMitî-âiïîiliîîîiM-îîï-îfiar . Tension 220 V

. Puissance 2 000 M

. Intensité du courant 10 A

. Température d'utilisation de 300 1 900*C

2- ÊîH£$*riîîia!«î.*.!j.!*E!îîiD£î

. Nature du f11 chrome-nickel (80X - 20 %)

. Diamètre du f i l 0,9 M

. Mslitlvlté du «1 2.SU/H

. Isolation électrique porcelaine

3. UsltîiBc.fitrsls» . Fibre de vtrn plaquas Dunblanket

d'épaisseur 25 et 40 m

«• £tisu».âu.fs«r . Nature acier Inoxydable

• Epaisseur coque externe l a s

. Epaisseur tube Interne 2 mm

I I I - 4 - REGULATION DE LA TEMPERATURE PU FOUR

Cette régulation a f a i t l'objet d'un projet de f in d'études de deux

étudiants de H.S.T. [23]. Le systiw qu'ils ont construit peraet la régulation i n'im

porte quelle température présélectionnée, conprlse entre 0 et 1 OOO'C, avec une pré

cision dt ± 2°C. Le système est représenté sur la figure n* 14 et le principe de

fonctlonnoaent est le suivant : la température a l ' Intérieur du four est mesurée par

un thermocouple délivrant une tension de quelques millivolts- après amplification.

Cette tension est comparée i une consigne (tension Imposée dés le départ et corres

pondant 1 la température i atteindre). Le résultat de cette comparaison agit sur un

système de correction qui commande la mise sous tension. Cette commande se fa i t par

un t r lac.

Le capteur uti l isé est un thermocouple chromel-alumel (nickel-chrome-nickel a l l i é ) .

Le signal délivré est une tension qui obéit i la réaction parfaitement linéaire :

V » BAT

Affichage

_j AmpKticoMur _ _j Comporattw . _j Correction

Capteur

Four

I I l L I

Consign*

ir Flg. M - Principe de régulation d'un four.

-45-

5*

5b

Cliches n° 5 - Fours et nodule de regulation.

46-

I I I - 5 - RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX

Com 11 Mfurt d* tMptraturt n* s* fait pas au niveau du f i l résistant, mis dins I t voluw ut i l * du four, nous avons enregistré, lors dts prtsriers essais, un* rapturt dt résistanc* au bout d'un* dizain* d* «rfnutes, en effet celle-ci attet-gnalt sa teaéprature d* fusion alors qu* 1* thcraocoupl* Indiquait un* valeur Inférieure t celle qui était progri—la. Nous avons reaédlé i c*t IneonvénlMt en introduisant en strie dans le circuit d'alfawitatlon un slmrstat qui coupe pértod1qu*atnt le courant pendant un teens prMetersriné ; grtc* * ce systle* 11 est possible d'avoir un Mllleur équilibra d* teapératur* f i l résistant - VOIUM ut i l * ; Dans ces conditions des courbes d* mnté* *n teapératur* du four ont été tracées en Haï tant l'Intensité du courant dans le circuit pour plus dt sécurité (cf f lg. U ) . On constate qut la teapératur* d'équilibr* est atteint* un* htur* environ «pris la else sous-tension du four ; ce teaps peut paraître I priori ass*z long, Mis 11 n* constitue pas un handicap, car 1* toaps nécessaire pour régler les débits gaaux dans la dbl* ,* t pour aligner 1* faisceau sur la cible est d* cet ordre .

I I I - 6 - ÉVALUATION PU PRIX 116 REVIENT

Le prix dt revient Moyen d'un four tubulalre régulé an teaperature, varie entre 5 000 et 10 000 FF. Coopte tenu des aqyens financiers disponibles, 11 était lapensable d'envisager l'achat de ce Mtéricl «t leur construction a été décidée.

En dehors dt la Min d'oeuvre et d'un* parti* d* la Mtiér* prealér* (tôïes, tubes d'acier, tige filetée et écrous) on peut évaluer l'ordre de grandeur de prix de revient dts quatre fours COM* suit :

fctitre Isolant* (Durablanket) 550 FF Fil résistant + barillets 750 FF Fiches, «abases, cordons d'aliaentation perles en porcelaine 100 FF Réalisation du systeat dt régulation des 4 fours 2 500 FF 4 régulateurs 1 600 FF

ftlB.ft.rtYliUt : SJ9SLEE

qui représente i peine le prix d'achat d'un four.

• » • » • « X — * — K — X X -

Intentité limitée à 9 amperes

intensif* limite à 5 ampères

J L 10 20 30 A0 50 1h 1h« 1hao 1h» 1h<o Ihso 2h terres

l i g . 16 - Courbe temperature en fonction du temps du four n"? sans regulation •itwersat a 9.

P A R T I E I I

TOMUL BWTIE AU (BIDE EE HBOfiOE

m ciannDi te UGGE

MRSULTHM

Catta partla axpoca 1» travail effectué au C.R.C.de LI lo t . On y trouvera

una presentation brava da l ' Installation da production, la préparation da Molécules

•arquées avac las trois isotopas da courtes périodes ( 1 S 0 . 1 3 N at U C ) , 1'utillsatlon

da quelques uns des gaz préparés ainsi qu'une présentation succinte de l'appareillage

de détection utilisée pour le diagnostic ou la assure.

Le travail effectué pour la préparation des Molécules gazeuses «arquée»

présent» selon les cas, plus ou «oins d'originalité. C'est ainsi que la préparation de

l'oxygène Moléculaire et ses dérivés ( C K 0 . C 1 5 0 2 ) , celle du d1 oxyde et du «onoxyd*

de carbone Marqués au Carbone-11 ( 1 1 C 0 2 e t U C 0 ) avaient déjé eu l ieu au C.R.C. avant

mon arrivée. Le travail effectué n'a été fa i t que dans la but de aaTtriser les diffé

rantes techniques de production et ne prendra qu'une place réduite dans l'exposé.

Ce travail a par ailleurs parais de produire dis anlécules déjà existantes

M i s i partir de cibles nouvelles (cas du 1 3 M 2 ) e t de toutes nouvelles aolécules telles

que l'asMoniac (ut i l isé sous fora» d'Ions 1 3NHj) et le protoxyde d'azote (13H£),

d'assurer leurs purifications ainsi que la participation s leurs utilisations aédlcales.

Dans le cas de la Molécule de C 1 S 0 2 déjé préparée avant non arrivée au Centre

de Recherche du Cyclotron de Liège. l ' Intérêt s'est surtout porté sur son utilisation

Médicale pour le diagnostic et la quantification des shunts cardiaques.

C H A P I T R E I

INSTALLATION EE PTOUCTICN

I - 1 - INTRODUCTION

L'Installation de production comporte 4 blocs ou "Modules" essentiels, chacun

assurant une fonction bien precise. Le but de ce chapitre étant de présenter l 'outi l

de t ravai l , nous allons décrire très brièvement ces différents Modules ainsi que leurs .

fonctions.

I - 2 - MODULE D'AMENÉE DES GAZ ET D* IRRADIATION

Le gaz ou le Mélange gazeux i Irradier est distribué 1 partir de bonbonnes

Montées en parallèle et toutes Munies d'un détendeur haute pression, d'un robinet

d'arrêt de protection et d'un bout de tuyau spirale assurant une certaine élasticité :

Après le point commun de départ vers la chambre d'Irradiation sont montés

dans l'ordre, un f i l t r e i poussière "Nupro" de 15 y, une vanne de réglage i pointeau,

un Minoaétre i pression de précision en dérivation et un débitmêtre.

Avec un peu d'expérience, le dispositif permet un préréglage du débit et de

la pression désirée dans la ehaMbre d'irradiation. Le transport de faisceau menant a

la chambre d'irradiation comporte tous les éléments de réglage, de visualisation, de

focalisation du faisceau de particules et de Mesure de son Intensité.

I - 3 - MODULE DE PURIFICATION ET DE MISE EN FORME

Un nodule complet de purification est schématisé sur la figure n" 6 . I l permet la Mise en forme de molécules gazeuses telles que C 1 5 0 , C 1 5 0 2 ,

1 5 0 2 , 1 1 C0, n C 0 2 >

et N 2 . I l se subdivise en différentes voies parallèles, sélectionnées par l'ouverture de vannes électromagnétiques S Ventrée et a 1a sortie. Chaque vole correspond a un gaz donné.

•54-

Les préparations de l'ammoniaque et du " N 2 0 sur cible liquide (H20) nécessitent pour leurs purifications et leurs aises en forme d'autres systèmes que nous verrons en détail dans un des prochains chapitres.

Au-dell du : modèle schématisé, l'écoulement du gaz se f a i t par une canalisation unique.

Le tableau VI Indique les «odes d'élimination par piège solide des impuretés décelées a la sortie de la chambre d'irradiation ainsi que les réactifs utilisés dans les fours pour les mises en forme chimiques.

I -H- MODULE DE MESURE/ DE COMMWHE, DE RÉGULATION ET P'AwWLVSE

Tout ce bloc est situé dans le local de traitement des gaz. Nous contrôlons en permanence par un synoptique Indiquant la ligne sélectionnée par une série de " I .E .D." , les vannes ouvertes e t les fours sous tension par des lampes témoins. Le basculement des vannes électromagnétiques est assuré par 4cs Interrupteurs manuels. I I est ainsi possible de comjander le passage d'une ligne a l 'autre, 1 distance, même durant l ' i rradiat ion. L'unité de régulation des fours se trouve prés du système.

I l est ut i le de regrouper dans le mène bloc le report des mesures de courants des chambres a Ionisations (module de distribution), du courant de faisceau, ainsi que l 'unité d'analyse chromatographlque et radiochromatographlque.

La connaissance de la composition chimique et radlocMmique d'un gaz part i culier est bien sur un élément Indispensable. Les Impuretés radlochlmiques, bien qu'inpondérables, sont la cause d'importantes erreurs dans la réponse d'un détecteur, tandis que les impuretés chimiques, même de l'ordre de quelques p.p.m. sont i proscrire dans les applications médicales (CO, oxydes d'azote. HCN,. . . . ) .

1-4-1- LA OagCTTMMPHie M ««SE 6WPUSF

Sans aucun doute, la radiochromatographle gazeuse s'Impose, non seulement pour la richesse des Informations, mais aussi pour la vitesse d'analyse.

La chromatographic est une méthode de séparation d'un mélange gazeux, qui s'appuie sur le principe de distributions sélectives des composés entre deux phases mobiles l'une par rapport I l 'autre. La phase en mouvement est un gaz, l'autre un solide absorbant ou un liquide sur support solide inerte. La méthode ne nécessite que des échantillons a analyser de petit volume. Ceux-ci, Injectés dans un gaz porteur, sont forcés de traverser une longue colonne de phase stationnaire. Chaque composé moléculaire du mélange subit des "absorption-désorptlons" répétées q u 1 s e t r a < M * « > t

-55-

par des retards différents » la sortie de la colonne. Ainsi, les différentes forms

aoHculalres sont flutes les unes après les autres quelle que soit l'Importance de

leurs concentrations dans le Mélange. I l est presque toujours possible de trouver la

phase ou une combinaison de phases stationnaires qui permettent cette séparation.

L'obstactemejcurse trouve dans la reconnaissance des "pics* eludes qui dépendent de

la sensibilité du systie» de détection.

I l n'existe en fa i t aucun systie» classiquequl convienne pour* des traces en

concentration aussi faible que celles des Molécules radioactives ou des Impuretés

radioactives dans une production de gaz de courte période:. Par contre, comme ces

traces s'èluent de toute façon, 11 suffira de conduira les différentes fractions sur

une sonde nucléaire, généralement un cristal-PN, pour déterminer et quantifier les

seuls "pics" radioactifs. I l est donc absolument nécessaire de mettra m ligne ces

deux modes de détection dont les Informations se complètent. C'est la radiochrometo-

graphle.

f-u-1-A-i ce m nmuca ne «feiuariiw

Pour les analyses qui nous concernent, entra autres celles des gaz dits

permanents (H 2 , 0 2 , N 2 , CH à, C02 ) deux colonnes, renfermant des phases station

nai res différentes, sont nécessaires. La chromatographic des composants de l ' a i r se

f a i t essentiellement sur "tamis moléculaire" ou M.S. (Molecular Steve ) , qui est un

alumtnoslHcate microcristallin, de 40 t 60 Hash, résultat de la déshydratation d'une

zeolite synthétique. C'est un arrangement de groupements tétraédriquK SIOj et A10 4,

liés par des cations Na +, K* ou Ca de façon I obtenir une structure ouverte avec

des pores de dimensions moléculaires. Cette phase présente malheureusement une réten

tion permanente du C0 2 , qui modifie rapidement ses propriétés. I l faut donc, avant

d'envoyer un échantillon gazeux sur cette colonne, en extraire tout le C0-.

Cette séparation, presque toujours nécessaire, se fera sur une première

colonne de Parapak Q (P.Q.) qui est un polymère poreux en grains de 80 i 100 Nash,

stable jusqu'à 250°C. I l n'agit pas avec les composés polaires. Maintenue aux en

virons de 35°C. la colonne P.Q. sépare dans l'ordre H 2 . He, le mélange composite

(Ar • 0 2 + N 2 + CH4 + CO), C0 2 , HgO et ensuite toute une série de molécules organiques

simples. La technique de séparation se conçoit aisément. I l suff i t de mettre en série

une colonne P.Q. et une colonne M.S., le temps nécessaire pour envoyer sur la M.S. les

pics «lues H 2 , He et pic composite (généralement désigné par pic d'air) ; puis de

basculer le système de colonnes en position parallèle avant l ' é l u t l o n du C0 2. une

analyse complète nécessitera une deuxième prise d'échantillons qui sera analysée sur

la seule colonne P.Q.. La figure n° 16 schématise un tel système.

-56-

g«z actif

_^__ Vtra diMibfi rfloniMtion HP

i SYSTEME D'EJECTION u r ,

I I I

M*£" X - S Ï Ï S ^ Ç J

WNNEDE WUVNC ne A COMMUTATION détecta» T

i 1 r~i X.

SÏ '

Fig. i6 -Schéma<k> ransambl* ladtochromatographique

-57-

T-U-1-a^t ma-rtm « * «PICS» np ftwnm-mBBtwiB a w g

La eatharomltre dont le principe da fonctionnement s'appuie sur la («sure

de la conductibilité des gaz est le détecteur le plus eaployé pour les Molécules

simples et principalement pour les gaz atmosphériques. I l est cependant Incapable de

déceler une «pureté dans une matrice en dsca da 0,1 %. Lorsqu'on prend conscience de

la nocivité da certaines Molécules chez Vhomme, Béat en concentration da l'ordre du

p.p.»., se satisfaire de cet ordre de sensibilité de détection est Impossible.

Le détecteur 1 Ionisation de flaaae, bien que généralement désigné lui aussi

cosae détecteur universel, est malheureusement insensible t la plupart des composes

de l ' a i r .

Le détecteur I Ionisation d'hélium, dans lequel on a longtemps placé beau

coup d'espoir, s'est avéré très peu fiable et est aujourd'hui totalement abandonni par

les constructeurs de chromatographle gazeuse.

Le détecteur ultra-sonlque, un des dernier -nés, «,lui,une sensibilité par-

falternant adaptée I la détection des gaz permanents. Bien qu'assez coûteux, 11 est I

recommander pour l'analyse des gaz de courtes périodes, destinés aux applications mé

dicales.

[-ft-l-c-tutTBCTM ia Tâ-eruiimfir

Ce dernier mesure les variations da phase de la vitesse d'une onde sonore traversant leigaz élues des colonnes. Lorsque ces gaz ont da faibles poids moléculaires, la réponse relative aux composants da l'échantillon est proportionnelle i ceux-d. La vitesse du porteur et les modifications de pression n'affectent pas le résultat.

Sensibilité

Un déphasage da 0,3* da l'onde sonore produit une déviation i fond d'échelle

da 1'enregistreur sur la gamme de 1 av, avec un bruit dt fond maximum da ± 1 S.

- Gaane de linéarité dynamique 10 6

- Température d'utilisation 12S*C

• Temps dt réponse 50 millisecondes

- Capacité de la cellule de detection ISO u l .

La polarité de la réponse est Inversée quand on passe d'un composant de poids molécu

laire supérieur a celui du gaz vecteur i un composant de poids moléculaire inférieur.

-ss-

Pour autant qut Its colonnts da chroMtographlt altnt t f f tc tu i la séparât ion, ct détecteur tst capable da repérer quelques p.p.n. d'unt lapureté dans una M t r l c t . On annul» parfalteaent VInfluença dt c t t t t damier» an l 'ut i l isant cou»» gaz vtcttur.

On paut calcultr la quantité dt chaque composant du gaz par la ewsurt dt la

surfact da son pic sur I t chroaatograaeM tnrtglstrt . tin tnrtglstrtur I daux pistes

transcrit les chroMtograaats correspondants aux daux phaseattres.

Mt-2- a«iiocn«mTOe«PHiË

Le systéae de chroamtographle est suivi par un system de radloanalyse. Les

constituants séparés sont envoyés, après la sortit da chroaatographe, soit vtrs un»

sonde (Haï) pour détecter Its produits radioactifs, soit vtrs la entérinée d'évacua

tion. Lt gaz s'écoule dans une tuyauterie tn acier Inoxydable de 1/8Ï axée dleaétra-

leaont sur la sonde. L'enseable (photoaultlpHcstaur et sonde) est protégé par une

enceinte de plot» dt 4,5 ca d'épaisseur. Un Mntage d» deux robinets é 3 voles penttt

de court-circiHttr l t détecteur. I l est ainsi possible de bloquer un volute radioactif

sur ce dernier et d'établir la courbe dt décroissance pour déterariner Its périodes.

Lt Ottm d'uulyst tst slÊpMHt. Lis lapuWom dt sortit du P.M. it-taquent un "rataaetar" » travars un préamplificateur «t un v p H f Icateur. L« signal

ondulé de celui-ci dessine U pie M dynatfqoe sur un enregistreur. Toutes conditions

• f i l e s , lé surface du pic enregistré ts t proportionnant l l 'act ivi té de la colonne

dt gaz. En plaçant en parallèle une échelle de coaptag», on paut évaluer cette sur

face. I l est évfdeaamit nécessaire de fêlro une estimation du bruit de fond et de

repérer le début et la f in du pic. La aéthodt donne les valeurs relatives des pics

radioactifs élues. Les valeurs absolues seront accessibles par la Mesure d'un échan

t i l lon gazeux en spectroaétrle Y (Ge-LI).

I - 5 - MODULE DE DISTRIBUTION

A ce niveau, le gaz radioactif entraîné par son porteur se trouve sous la

fora* chlarique voulue et les contaarinants réduits 1 un niveau dt traces tolerable

pour l 'ut i l isation envisagée. Ce aodule peratt une Masure en dynamique par

passage dans une chaabrt d'ionisation. Avant d'arriver t cel le-c i , le gaz triverse

dans l'ordre :

- un f i l t r e qui eapécht le transport des poussières vers la zone d'utilisation

- une vanne alcroaétrique 1 pointeau, pour des corrections très fines de

débit. Unréajustement important de cette dernière a obllgatolreaent une répercussion

sur le gradient de pression dans toute la raape. I l faut alors équilibrer S nouveau

l'enseabl* du systeae en jouant slnultanêaent sur la vanne du aodule d'aaenèe du gaz.

5»-

L'i cnaeer* d'Ionisation permet la Msurt, solt dt l'activité dibit** (tn «CI . Ml' 1) solt ctllt dt l'activité spécifique (t£1 - nM"1).

A la sortie. I t assure correcte du debit est usure* per des debltattres étalonnes pour un certain noobreU* gaz ou of langes gazeux. Un jeu de robinets permet de P»ser par le deblteetre adéquat.

Le gaz radioactif va alors être conduit vers les zones d'utilisation. Le point d'envol est dédoublé. I l y a deux possibilités : solt vers les locaux adjacents au laboratoire dt traitement, solt plus loin» vers I t local où se trouvent les appareils dt toaographlt par «mission dt positrons.

f •

CHAPITRE I I

praum«iBfaEai£SrtwijEEs

I I - 1 - INIBODUCTIOW

Les trois radioisotopes qui nous intéressent, I savoir l'OxygeiwlS, l'Azote-

13 e t le Carbone-U sont produits sous différentes fora» gueuses. Les éléments

cibles qui servent I cette production, peuvent être sous des forées solide , liquide

ou gazeuse . Nous avons choisi, chaque fols qui cela était possible, d'uti l iser dH

cibles gazeuses éjul offrent de nombreux avantages :

• aucune Manipulation de la chaabre d'Irradiation ou de la cible Irradiée

- aucune destruction dt la cible

- aucune séparation chimique longue ou dangereuse puisque les produits indé

sirables sont retenus dans les pièges

• détermination précise du parcours des particules chargés incidentes et des

rendements de production

- contrtl* aisé de 1'énergie des particules chargées dans le gaz cible.

En adaptant celle-ci 1 la courbe de section efficace de l'éléeent Irradié, 11 est plus facile de diminuer ou d'éviter les réactions contaminantes.

Cependant, dans certains cas et pour certaines applications, une cible solide

balayée par un gaz afin d'en extraira l 'act ivi té est ut i le . Parfois, la cible liquide

se jus t i f ie . I l s'agit alors d'un système discontinu dans lequel 11 est toujours pos

sible d'autoMtiser l'extraction de l'Isotope sous une fora» Moléculaire déterminée

par des moyens simples, sûrs e t peu coûteux.

•62-

I I - 2 - DÉFINITION

Nous apptlons ml icu l t «arqué*, toute molécule dont l'un dts atones tst

remplacé par un dt sts Isotopes radioactifs. Ct marquage ptut t t r t très simple, dans

I t cas où l t gaz rtchtrcM t s t obtenu déjl dans la chaabrt d'Irradiation ou n'txlgt

qu'un* transfonaatlon chimique s l tp l t . Oès qut la aolécul* marquée devient plus cot-

p i t )» , I t synthtst exige l t recherche de téthodes rapides oui s'éloignent souvent des

méthodes traditionnelles de la chlerit. En e f f t t , les périodes dt radioisotopes étant

très courtes, la vitesse de synthèseest un laperatif capital pour obtenir une activité

spécifique t t unt concentration radioactive suffisantes pour les applications. D'autre

part» la Manipulation de quantités d'activité considérables txpost l t ch1a1ste l un

risque d'Irradiation certain. L'automatisation de ces opérations H t toujours souhai

table. Notons également qut la chlarit au niveau dt tracts contre souvent un compor

tement Inattendu par rapport 1 la tacrochlielt.

I I - 3 - HOPE C+fleVTOlBE

Pour la production des tolécults marquées slaples. telles qut I ts gaz per

manents ( 0 2 , CO, C0 2 , N 2) oQ l'élément cible ts t gazan*-, le node opératoire est

à peu prés le aéat. Le gaz cible t s t conduit du module d'amenée des gaz I la

chaabrt d'Irradiation. Avant l'envol du faisceau, la l iant choisit t s t balayée par le

gaz vecteur, pendant au tains une demi-heure. Au bout dt ce teaps, on ajusta 1* débit

t sa valtur optimalt pour la production. Ct11t-c1 dépend i la fols de la période du

produit t t des données géométriques du systène (24-25].

La pression i l ' intérieur dt la chaabrt est continuellement surveillée par

unt caméra visant un aanoattrt de précision. En cas de changement de pression dans la

cible, dO au faisceau, la correction est faite de l'extérieur gréce aux vannes I

pointeau particulièrement sensibles.

H - 1 - HioncnoN CE L'OXYSÉHE-JS

Toutes les caractéristiques de l'isotope ayant été données au point 1) ct 2)

du chapitre I I de la première partie, i c i , nous décrirons directement les expériences

et nous donnerons les résultats obtenus dans les préparations de l'oxygène moléculaire 1 5 0 2 . de C 1 5 0 2 > de C 1 5 0 et dans le marquage du sang.

I I - t - 1 - ponrumnii nr i W e f a c HHHSTIIAIPC . S f U

Le gaz cible est un mélange de 96 S N 2 + * * 0 2 . Une cible d'azote pure con

duit « 70 t d'oxydes d'azote (NO, N0 2 . ll 20) et seulement 30 t d ' 0 2 . Les oxydes se

forment par recul de T oxygène dans l'azote. Pour avoir une production de 95 * en 15o 2,

-63-

11 suff i t d'ajoutar 2 % d'oxygène, M i s la rtproduetlbllltt dis résultats ast «riaux

assurée par la nélenge 96 t Nj + 4 t Oj.

U tablaau IV donna la reaction principal» ainsi qua las reactions secon-

da1m qui pauvant avoir H au simultanément. Pour nin1m1sar la nostra da cell as-d

nous dtvons nous plactr t una énergie qui pansât da Its éviter. Nous avons déterminé

1a valaur da eatta Inargla qui ast da 6,3 HaV sur la cibla. Avant d'arriver sur le

gaz i I rradier, le faisceau da particules traverse 2 fenêtres de HAVAR de S,9 u- Le

HAVAR est un mélange de 9 métaux tous résistants, cSns en faible épaisseur, qui de

grade peu l'énergie et subit wins d'êchauffaaent.. ! .« fenêtres ont ainsi das vies

t r is longues. Nous allons < present déterminer l'énergie i laquelle 11 faut accélérer

le faisceau de particules pour qu'11 arrive sur la cible avec 6,3 HaV.

H-tt-l-A-nftCTMiwaTinM ne l ' f t a ^ f " • «,«re». , m r i u n w i B J f f i a TM.JTT

Sachant que l'énergie sur 1a cibla doit être de 6,3 MeV et connaissant l ' é

paisseur ainsi que la nature des obstacles I franchir, nous pouvons calculer l'énergie

I laquelle doivent être accélérées les particules.

U système-fenêtres est constitué de 2 feuilles de HAVAR de 5,9 u entre

lesquelles se trouve une épaisseur d'hélium de refroidissement da 3,64 cm sous

200 g/ce 2 de pression. Pour faire ce calcul, la Méthode des parcours a été ut i l isée,

en reenntant les obstacles depuis la cible. Un schéma de ce processus «antre qu'11 y a

3 énergies i déteminer, E 2 , E l •* h- connaissant l ' é n e r g i e de s o r t i e E 3 .

HAVAR Ht I

V U .

asii.

HAVAR

i E3

i i 1 1

1 *(£;>)

Figure n» 17

Schéna des obstacles franchis par la faisceau da deutons

l i r a fenêtre avant la cible : soit i (a . iL ) son épaisseur en g/crr

R(E 3) • p . î l • R (E 2 ) (1)

R(E 3) « parcours dans le HAVAR pour les deutons de 6,3 HaV "(E^) * parcours dans la HAVAR pour las deutons d'énergie E, i détarainer 0.4L » épaisseur du HAVAR en g/cm2 • 4.897.10" 3

-64-

La parte d'énergie dam I t HAVAR ast calculia par la relation da FRIEDLANDER [26]. Le HAVAR étant un t i l lage coaposl da 0,04 S Be, 0,2 5 C, 17,86 * Fe, 13 X NI , 2 X HO, 42,5 S Co, 20 X Cr, 1,6 X Hn et 2,80 X M. la relation des parcours est

1 , M 1 + H2 + W1 ( 2 j

W1 étant la proportion pondérale da 1'iiescnt 1 ; RI le parcours dans cet élénent

A partir des parcours des doutons dans les «léaents constitutifs du HAVAR, on déterrrine le parcours dans celui-ci . En se référant au tableau IX qui suit et qui donne le parcours dans le HAVAR en fonction de l'énergie des doutons, on peut obtenir par Interpolation de Lagrange le parcours re la t i f I 6,3 HeV.

TABLEAU IX PARCOURS ET PERTES D'ENERGIE OAKS LE HAVAR

E HeV

Parcours g/cm* 1 &E (keV) poe) une épaisseur de HAVAR

de 5,94 u

1.5 8.182.10"3 779 2 1.196.10"2 668 2.5 1.624.10"2 582 3 2.100.10"2 519 3.6 2.733.10"2 461 4 3.190.10"2 433 4,6 3.932.10"2 392 5 4.460.10"2 373 5,5 5.159.10"2 349 6 5.900.10"2 329 6,5 6.682.10"2 312 7 7.507.10*2 295 7,5 8.370.10"2 283 8 9.274.10"2 270 8,5 1.025.10"1 254 9 1.120.10'1 255 9.5 1.222.10*1 237 10 1.328.10"1 230 11 1.551-10*1 215 12 1.790J0" 1 201 13 2.046.10"1 187

•65-

donc : R(E 3) - 6,364.10-2 g/ca*.

La relation (1) donne :

6.384.10-2 • 4397.10"3 • 6.854.W2 g/ea*.

L'énergie correspondante, obtenue par interpolation de Lagrange est

E2 « 6,6 NeV.

La tableau X rend coapte des valeurs d'énergie et de parcours I différents

niveaux.

TABLEAU X

. PARCOURS ET ENERGIE DES PARTICULES A DIFFERENTS NIVEAUX

Nature de l'obstacle

âcL Epaisseur en g/cm2

Energie éeergente

HeV

P.rc'ours correspondant

dans l'obstacle 9/e2

Parcours correspondant

g/cai

Energie incidente

sur l'obstacle HeV

fenêtre de

HAVAR

5,94 u 4.897.10" 3 6,3 6.364.10"2 6.854.10" 2 6,6

couche

d'héliua

3,64 c« sous 200 g/ce 2

0.071.10"2 6,6 3,363.10"2 3.434.I0" 2 6,679

fenêtre de

HAVAR

5,94»

4.897.10* 3 6.679 6.372.10"2 7.4S3.10"2 6,968

un volt que pour arriver sur la cible avec une énergie de 6,3 HeV, 11 faut

accélérer les particules i 7 HeV.

En appliquant l'équation qui donne la pression dans la cible et en nous

reportant aux tables de Uilliaason 127], nous avons ditenriné qu'une épaisseur d'azote

de 4,838.10" 2 g/car sous la pression de 0,540 kg/ca 2 au-dessus de la pression ataos-

phérique étai t suffisante pour absorber toute 1'énergie du faisceau. Cette surpression

est en plus nécessaire pour :

-66-

1) Maintenir un dibit élevé au point de distribution e t éviter la décroissance de 1'Oxygène-15 le long du parcours.

Z) é tabl ir un* pression S l'entrée du chromatogranh* en dérivation e t compenser les pertes de charge du circuit Interne qui conduit i la boucle d'Injection.

tr-g-l-a^ecrptPTTO»! r» • 'enknnrs

Après Irradiation, I t gaz qui avance en circuit ouvert i un débit déterminé de 8,33 ml/s passe par la rampe de purification où 11 es t débarrasse des oxydes d'azote e t autres contaminants, t e l s que 1'ozone e t 1* C02 qu'on peut rencontrer en

. très petites quantités. L'ozone e s t décoaposé par un piège de dioxyde de Manganèse, l e NOj retenu par ut* spirale de cuivre, l e NjO e t W par Te charbon ac t i f . Le tableau XI rfsuM les conditions d'irradiation e t d'expérience.

TABLEAU XI CONDITIONS D'IRRADIATION ET D'EXPERIENCE.

Courant cible 10,5 uA

Energie de départ 7 HeV

Energie- Incidente 6,3 HeV

Fenêtres : 2 feuilles de HAVAR 5,9 u d'épaisseur

Diamètre du faisceau 2 0 MM

Réaction utilisée M»(d.n) 1 5 0

Gaz de balayage 96 « N 2 + 4 i 0 2

Pression au niveau de la chambre 0,54 kg/c» 2 au-dessus de la pression

atMOSphérique

Débit 8,33 al /s â 760 mm Hg et i 20°C

Pièges : Mettre 3 nature • MnO*

- Spirales de cuivre

- C act i f

IHt-l-C-EESJBS. On s u i t l ' ac t iv i t é 4 la sort ie de la chartre d'Irradiation par mesure dans

une chambre d*ionisation sous pression atmosphérique. L'activité croît e t atteint un plateau de saturation qui, toutes conditions gardées, doit être reproductible. A ce noient, on enregistre le courant de la deuxième chambre d'ionisation qui se trouve en fin de ligne e t qui donne une mesure de l 'ac t iv i té débitée. On vérifie la constance

-67-

du plateau puis on bloque un Ichtntillon de 10 ni de gaz pour en suivre la décrois

sance. Une demi-heure de mesure Montre uniquement la période de 1a0xygène-15. Une

prist de S:jnl a été comptée. Une courbe de décroissance de 2 heures met en

évidence une impureté de 0,0076 S de 11.

-Radlochromatographie

Les tests de pureté chimique décèlent la présence de CO- en quantité infé

rieure a 0.0S. %. Ceux de pureté radiochimique n'ont montré aucune activité autre que

celle de t'oxygène-15.

-Rendement

Pour des faisceaux ayant une intensité de 10 uA et une énergie de 6,3 MeV, les résultats sont parfaitement reproductibles. La concentration radioactive est de 1'ordre de 0,26 mCi/ml i 760 m de Hg, soit un débit de 2,2 nC1/s.

I I - 4 -2 - pamirn™ ne rSft

Les conditions d'Irradiation'n'ont pas changé. Dans les conditions d'ex

périence, seule la composition du gaz vecteur et la ligne de purification sont dif

férentes :

gaz de balayage W X H 2 + 2 « 0 2

pièges nombre 3 nature C actif Zn SODA LIME

température 9O0°C 390»C Ambiante

L'oxyde de carbone est produit par la conversion chimique de l'Oxygène-15. Celle-ci est faite au niveau des fours dans le piège de charbon actif et celui de Zn, suivant les réactions :

IS, 02 + 2C-300°C

2C 1 S 0 et C 1 5 0 2 + Zn_ 390-C CO + ZnO

15„ r K n fc la sortie du Zeme four, les concentrations radioactives en C O e t c " 0 „ sont res

pectivement 99,5 S et 0,5 S. La somme de ces deux activités ne représente que 40 % de

l 'act ivi té en 0, : 11 y a une absorption de 60 S sur le charbon act i f . 15„

ul5„ Celui-ci capte également le contaminant U,0. Les traces ultimes de C O . '2°

de N O . sont retenues a la sortie, par un piège de SODA LIME qui décompose en outre

les traces d'oxygène.

• Rendement

45, 15„ Les rendements en C O sont beaucoup plus faibles que ceux en 0 , , du fa i t

de la rétention importante sur le charbon actif .

•68?

IM-3- BCPUCTiai DU Cpty Hous avons renoncé a la Méthode classique de production par conversion de

1' Oj et ceci pour deux raisons :

- la conversion qui se fait sur le charbon actif a 400°C suivant 1a réaction 0* C actif ,0 0., n'est jamais intégrale. Les concentrations radioactives respec-

tlves deC^O-et deC1S0 sont, au Mieux, 73 X et 27 t .

l'absorption de l'activité en oxygéne-15 dans le charbon actif est très . importante.

Nous avons donc préféré utiliser une technique de production qui nous permet d'obtenir leC1 502déja dans la chaabre d'Irradiation 1 S 0 2 . Pour c* faire, i l faut changer la nature du gaz l irradier. Au nélange de 96 S Nj + 4 % 0«, on substitue le Mélange de 97,5 ! N. t 2,5 t de CO». Pour arriver t cette composition, des mélanges de différentes teneurs en CO, ont été Irradiés par un faisceau de deutons de 7 MeV et des Mesures de concentration en CO1! •* t n Impuretés ont été faites a chaque fols. Nous avons choisi le'nélange qui optimise la formation de C- 0, et ninlmisi celle des impuretés. Le tableau XII donne les résultats pour 3 milanges étudiés.

45, TABLEAU XII

CONCENTRATIONS ENC^C-EH FONCTION DU MELANGE IRRADIE

gaz cible

en «

N2 + 0,5 X CO. N2 + 1 S CO N2 • 2,5 * C02

Pourcen

c i b o 2

87,1 89.2 91

tag* de 1 •réci

c"o

6,8 5,7 4.6

activité jpérée

\ 6.1 5 4,1

totale

" 1 3 " -N2

« 0,1 0.1 0.2

Concentration radioactive en

HCI^BI 1

uCi/ml

133 163 216

-is„ LeC 0.se forme dans la cellule d'irradiation par le recul des atomes chauds d'oxygène sur les molécules de CO, : un .itome actif vient prendre la place d'un atome froid.

les conditions d'expérience et d'irradiation sont presque les mimes : on utilise la Même chambre d'irradiation, la mène faisceau, le mime débit et une pression légèrement supérieure. La purification est assurée par un piège de charbon actif porté i 400°C qui convertit 1 5 0 , enC 1 50.etC 1 50 . Le mélange passe ensuite sur du CuO a 800°C qui oxyde complètement C l 50 en C150 .

2

-68-

II -5-MWOUMËDU SANS

Le sang ptut ê t r t marqué au moyen dfcnedes trois molécules : 1 5 0 2 , C 0 et

C 1 5 0- . L'oxygène moléculaire marque roxyhèmoglobine, 1eC 1 5 0 la carboxyhéaoglobine et

le c ' 5 0 2 l'eau du plasma.

Ces marquages permettent de nombreuses études, notamment aux niveaux car

diaque: e t cérébral et peuvent se faire de deux façons, selon le type d'application :

- dans le cas où l'on a besoin de hautes concentrations radioactives, on

f a i t le prélèvement d'un échantillon de sang qu'on expose i un flux gazeux pendant

quelques minutes.

- quand, au contraire, des fortes activités M sont pat justif iées, on peut

faire le marquage "In vivo", en faisant respirer au patient I t gaz "radioactif".

Pour I l lustrer la première technique, valable pour tous, nous «lions exposer

le marquage de Veau plasmatique par H C 1 5 0 2 .

I l est réalisé 1 partir du C 1 S 0 2 e t "In vitro". Un échantillon de sang

complet est exposé au flux de C 1 5 0 2 pendant S minutes. L'échange rapide de l'Oxygene-

1S entre C 1 5 0 2 t t l y ) présent dans le sang est favorisé par l'Intervention de l 'en* -

zym* anhydrase carbonique. Cet échange conduit t la formation d'eau marquée par la

réaction : C 1 50 + HgO * HjCO^O £ C0 2 + H 2

1 5 0 . Un échantillon de 10 ml exposé pendant

5 en présente une activité totale de 40 mCi, soit une concentration radioactive de

4 «Ci/ml.

La décroissance d'un échantillon de 5 ml de sang ne montre que la période de VQxygène-15. L'Azote-13 qui est contaminant dt la phase gazeuse, ne passe pas dans le sang i cause de sa faible solubil ité.

- Mode opératoire

Lts techniques classiques font barboter le gaz actif au travers de la solution i marquer. Cette méthode présente des inconvénients majeurs : le phénomène d'hémolyse et un "aoussage" du sang Important lorsqu'on applique le débit optimal, le rendent généralement impropre i toute utilisation ultérieure. L'abaissement du débit entraîne la diminution de l 'act ivi té spécifique, qui est un facteur déterminant pour l 'ef f icacité du marquage.

Pour éviter ces ennuis, nous faisons passer le gaz non plus au travers de la

solution, mais seulement sur une surface de sang, très étendue, et continuellement

70-

rtnouvtlit par rotation dt 1'iehantillon, dans un long tubt entraîné par un tottur

L'Appareillage utilisé tst schématisé sur 1a flgurt n°lB . I I comporte dtux partlts, 1'unt pour la production dt gaz t t Vautrt pour I t Marquage proprement dit. Ctttt dtrnlèra comprend :

- una vannt i trois wits qui ptnatt d'envoyer I t gaz soit vers le système dt Marquage, soit vers la entérinât d'évacuation.

- ont vanne de réglage i pointeau pour agir sur la pression t t le débit du gaz.

• un filtre « m 1 pore dt typt atilltx (0,22 UM, 9 ' 25 MM) qui retient toutes Its »1cropart1cules dt dlMtnsions supériturts i celles des ports t t stérilise ainsi le gaz.

- un tubt tournant recevant I t sang 1 Marquer par un septus t t I t gaz Marqueur. Ce dernier tst stérilisé avant chaque txpéritnct.

- un débit-Métré. - unt cbaMbrt l ionisation qui Mesure 1'activité du gaz après passage sur

l'échantillon de sang.

Après 5 Minutes d'exposition, le flux gazeux tst directement envoyé dans la entérinée d'évacuation t partir de la vannt i 3 volts. Après Mesure de l'activité de l'échantillon, ce dernier tst prêt I l'Injection.

I I - 6 - PRODUCTION CE L'AZOTE-E

H-13 avec unt demi-vie dt 10 mn. tst l'isotopt radioactif de l'azote de plus longut périodt qui pulsst être utilisé en biologie t t tn Médecine. I l décroit par radioactivité s* ayant une énergie Mxlaale dt 1,19 HtV vers le niveau fondamental du 1 3C qui est stable (voir schéma de désintégration sur la figure n* 19).

1 3 N r 10 • n.

l\c • / stable

Flgurt n" 19 Schéma de désintégration de 1'Azote-13

F.y. i:' •• System* d» production des goz marquts à l'oxygène. 15,tt d* marquage du sang

togtttt d irradiation laboratoire dt traittmtnt

t rMZI

<D-j \—CZKfr

J l_.

72-

TABLEAU Xl I I -a

Caractéristiques de désintégration de l'Azote-13

Rayonnement «Mis

Pourcentage de désintégration

Energie nax en HeV

6* 100 1.19

— ... L'Azote est ut i l ise pour

plusieurs Marquages. Celui de la Molécule H 2( H- H) est 1e plus répandu et le plus

u t i le . On s'en sert soit en phase gazeuse, soit en phase liquide. Cependant, l ' intérêt

pour d'autres Marquages tels que HC U N, 1 3 N H 3 , l \ o , 1 3 N 0 3 augmente de plus en plus.

Le tableau XlUbrésune les caractéristiques de production, de Marquage et d'utilisation

du radioisotope.

TABLEAU XII I -b

CARACTERISTIQUES DE PRODUCTION, DE MARQUAGE ET D'UTILISATION DE L'AZOTE-13

Radioisotope Méthode de production

Réaction utilisée

Abondance isotopique Qen HeV

»N cyclotron a ) 1 6 0 p , 8 )1 3 N

b) 1 2 C(d,n) 1 3 N

99,8

98,9

- 5,21

- 0,281

E j , M l 1 en MeV période

en nln.

Rayonnement

et E en MeV

Molécules

Marquées

Applications

médicales

a) 5,5

b) 0.328 9,96 1.19 1 3 « H 3

1 3 N Z 0

HC 1 3N..

• ventilation régionale pulnonaire

• débit sanguin régional - localisation d'organe et

étude de Metabolise» - débit sanguin cérébral • Recherche de sites spé

cifiques - études hépatiques et

«yocardioues

Nous nous soenes attachés i produire TAzote-13 sous fonee gazeuse, en so

lution saline et sous les foraes Moléculaires NHJ (en solution) et TljO Ifurn).

II-6-1 - Pfarnninineaipc

Le tableau XIV fait l'inventaire de toutes les réactions pouvant Mener i

l'isotope Azote-13. Le choix de la réaction obéit toujours aux nines critères (pureté

radiochiMiqua, rend—int radioactif, facilité de Manipulation et de traitement, abon-

-73-

dance fsotoplque de Vilement cible, inergle disponible e t c . . . ) - Pour la production de

la molécule N 2 , la riietlon nucléaire qui ripond le Mieux i nos critères de sélection

est :

l 2 C(d,n) 1 3 N

Son énergie seuil est de 0,328 HeV. Avec une énergie sur la cible de 6,3 HeV, on évite

pratiquement toutes les reactions contaminantes, sauf l H(d,n) 5 0 . Le tableau XV donne

la reaction principale et indique les reactions secondaires qui peuvent contaminer la

production.

TABLEAU XIV

REACTIONS NUCLEAIRES CONDUISANT A L'AZOTE-13

Isotope Réaction Nucléaire Abondance Isotopique

QNtV Eseull «W Nature dt la cible

M N(p.pnj 1 3 N

* 6 0 ( p ^ ) 1 3 M

99,6 -10,55 11,3 gaz M N(p.pnj 1 3 N

* 6 0 ( p ^ ) 1 3 M 99;8 • 5.21 5.5 liquide 1 3C(Prfi) X 3N 1.1 - 3 3,24 solide

13K

1 Z C(p.y) 1 3 N 1 2 C(d.n) 1 3 N

^ ( d . î n ) 1 ^

98,9

98.9

1.1

- 1.9 •0,281 - 4 . 2

2,05

0,328

4,9

sol. ou gaz

gaz

solide 1 4N(d.dn)1 3^ l 4H(d.t) i 3N

99 .<

99.6

-10,55

- 4 , 3

12.06

4.91

gaz

1 60(d,an)1 3N 99,8 - 7.44 8.37 gaz ou liquide 1 2C(a,t) 1 3N lzC(o,p2n)13N

^ ( ^ . p n ) 1 3 *

98.9

98,9

98.9

-17,9

-26,2

-5 .8

23,9

35

7,2

gaz ou solide

gaz ou solide

gaz ou solide

TABLEAU XV

REACTIONS PRINCIPALE ET SECONDAIRES

Reactions QenfW Eseull •" * »

12c(d,n) l3N - 0.281 0.328

X 2 C(d,t) U C

^ ( d . t n ) 1 ^ 1 4N(d,n)15 0

^ ( d . a n ) 1 ^

-12.463

-17.411

5.06

-5 .14

14,5

20,1

S.88

-74-

I I - fr-2- enni«niiHàTHpiâiiMWF

L'inhydrldt eirbonlque, I t earbont graphite t t I t charbon actif sont I ts

trois forats qui donnant la possibilité d'obtenir 1a anlécult 1 3 N - 1 4 N par volt directe

t4J.

S1 l 'act ivi té Induite dans l t carbone graphite ts t Intéressante, le ren

dement d'extraction par un gaz Inerte ts t faible.

Lt charbon act i f est ut i l isé COB» cible uni quae» nt au Centre de Recherche

du Cyclotron de Liège et pour la seule préparation dt solutions Isotonlquts d'Azote-13

1 très haute activité.

La cible gazeuse s'iepose dans la Majorité des applications médicales.

Quoique nt contenant que 27 % de carbone, l'anhydride carbonique, de par sa faible

toxicité et la faci l i té avec laquelle on le sépare de 1 3 N 2 (par condensation ou

absorption dans las solutions alcalines), est un gaz cible dt choix.

1 1 - 6 - 3 - neTEHHIMtTION K l n f e l T

La courbe représentée sur la figure n* 20 eontre que le dibit qui conduit

I une concentration radioactive ntxlet l t au point de distribution du gaz t s t dt

0,2 ail/s.

H-fi-u- ncBrptPTtnii ne | 'B8>6»EHCE

Après balayage de tout le circuit de production t t dt purification par l t

gaz cible pendant une deal-heure, l t débit est ajusté i sa valeur d'optimisation et

l ' irradiation a lieu dans les conditions qui sont reprises dans le tableau XVI.

A la sort i t de la chaabre d' irradiation, le gaz passe dans le ondule de

purification par une ligne comprenant trois pièges ayant chacun,une fonction bien déterminée

• une spirale de cuivre qui retient par adsorption le N02 formé lors de

l ' irradiation

- un piège de CuO 1 800" qui va oxyder les traces d'hydroçéne (contenues dans

les bonbonnes) ainsi que le CH^ auquel ces dernières peuvent conduire selon les ré

actions

H 2 + CUO Cu + H20

CH4 + 4CuO . C02 • 2H20 + 4Cu

- le perchlorate de magnésium Mg(C104)2 qui va retenir l'eau formée.

-75-

DEBlT EN mE/MC

13„ Fig. 20 - Rendement de production de " H 2 en fonction du débit gazeux

-76-

A la sortit du andult dt purification, l t gaz ts t sous la forma désirée ( l \ ) d l lu i

dans son porteur (C02) t t dfbarrassi dt toutes Its lapuretês qui nt st trouvtnt alors

qu'l das concentrations toiérables. A ca niveau, 11 est repris dans une ligne COMMMC

qui va la conduira Jusqu'au local de traitement ou les Mesures et les contrôles de

pureté, sont fa i ts .

TABLEAU XVI CONDITIONS D'IRRADIATION ET 0'EXPERIENCE

Paramètres Valeurs

Intensltt du courant de faisceau 20uA

Energie du faisceau de départ 7 HtV

Energie Incidente 6.3 HaV

Fenêtres Nature HAVAR

No* ra 2 Epaisseur S A *

u C ( d , n ) 1 S H Réaction utilisée

S A * u C ( d , n ) 1 S H

Gaz dt balayage 100 S C02

Pression au niveau de la chttbre 500 a» Hg au-dessus dt la pression d'Irradiation atsvsphériqut

Débit 1,2 «l/s

Pièges Noabre 3 Nature Spirale de Cu, CuO, Mg(C104)2

Teapératun Aeblante, 800*C, asttlante

rr-6-S- MESURE ne nfcaoissaiia-

Une cheabre d'Ionisation sous-pression d'argon(20 atmosphères) placée au

point de distribution est atteinte par 7e gaz après 12 ai mites de transît.

Le courant est enregistré jusqu'i l'obtention du plateau d'équilibre de

l 'act iv i té . On enfer*» alors un échantillon de 10 ni de gaz dans la chaabre et l'on

en suit la décroissance pendant 3/4 d'heure. La seule période aise en évidence est 13

celle du N . La résultat est confinât par une courbe de décroissance réalisée au Ge-Li.

•77-

11-6-6 - AU4JJ5Ê

11-6-6TA-£UBUMDBBBEUI£

•ItCl.iSlf£ti9S : examen da la pureté du<gaz contanu dans la bonbonne. Avant irradiation, on teste U pureté du C02 (a i r liquida : pureté déclarée 99,996 S). Catta analysa «et an évidence la presence d'una quantité d'azote équivalante I 1500 vpa au lieu des 8 vpa annoncés par la f i n e

géjf_1njfçt1gn : on analysa le gaz irradié sans aucune purification en le faisant passer dans une ligna vltrga. Au début de l ' injection, les colonnes PQ et MS sont en série. Apres 2 Minutas 40 secondas, on coMwte de séria en parallèle. La chroMtograaM relat i f I la MS asntre :

m un pic de h"2 provenant probablement de la décomposition sous-faisceau de H20 désorbé des parois de U chambre.

* un pic de *2 (1500 vpm) * un pic qui s'élut tu temps de passage du CH4. A la sort i t de la PQ s'élue

le pic de la matrice de COj. Les oxydes NO et N20 sont absents. Par contre, 11 est Impossible* sa prononcer sur la présence dt N02 par la •éthodt chromatographique. En e f fe t , la N02 ast retenu irréversiblement sur las colonnes. I l doit être nis an évidence par d'autres techniques. Le test de Salzman (colorimétrte) t t la chlalluminescence révélant la présence de NO, i raison de 60 ppn.

II-6-6-B-SADUQfJCMEaSsaU£ A la sortie de la MS, la radlochroaatographle ne donne qu'un seul pic

d'azote-13.

Pour les Mènes raisons qua précédeMMnt, i l est Impossible de se prononcer 13

sur la présence NOg. Cette recherche se fa i t parbarbotaee prolongé du gaz radioactif dans la soude 5H. Mais on ne décèle aucune activité de 1 3 H 0 2 .

En conclusion, 11 faut éliminer CH 4, H. et N02 toxique i raison de 5 ppm.

3S5g_injgçtion : on examine la pureté chimique et radlochimique du gaz après passage dans le module de purification. La seule impureté drinlque encore détectable est le CH4-

13 A la radiochromatographle on a le seul pic de H - Les tests combinés de

Salzman et de la chimilurlnescence montrent que la boucle de Cu est efficace a 100 S

-78.

dans son role d'élimination da NOg.

I I - 5 - 7 - nana? ne u cacamATimi «AMOACTIVE

Cattt conetntratlon a «té mesurée au module da distribution. Pour un falsctau

da 20 «A d'intensité t t da 6,3 HtV d'énarglt. t i l t t s t da 48 vCI/ml.

I I - 7 - PMCUcriON D'AWBNIAC HHMUÉ

L'ataonlac aarqué t l'Azota-13 a fa i t son entrée dans la domaine Médical

vtrs I t s années 70 t t , depuis, son importance ne fa i t qu'augatnttr dans I t diagnostic

t t I ts études de quelques fonctions, aussi bien au nivtau tyonrdiqut qu'hépatique

t t cérébral.

H-7-1 - tàuEjzisaam L'ataonlac tarquée I l'Aiote-13 peut-être préparé par quatre aéthodes

Issues dt deux réactions nucléaires différentes (voir ttbltau XVII) [28-32].

TABLEAU XVII REACTIONS DE PRODUCTION DE "NH. 13»

Réactions nucléaires Q an HaV Eseu11 • " M , v Elétant cible

^ ( d . n J ^ N -0,281 0,328 CH4

^ C f d . n ) 1 ^ -0,281 0,328 A1 4C 3

1 6 0<p,«) 1 3 N -5,21 5,5 °2 1 6 0 (p ,a ) 1 3 N •5,21 5,5 H20

La réaction sur 1'tau est la plus Intéressante tt offre sur les 3 autres les avantages suivants :

• une pureté radiochiolque du produit final exceptionnelle - un rendaient de production élevé • une haute activité spécifique.

12

La réaction sur le C dans le cas où le gaz cible est du CH4 présente des problèmes, internment la formation par radiolyse de produits de polymérisation non actifs du nSthane et de 15 a 20 t d'éthyl et methylaurine marquées 1 l'azote-13. En

Chambr* d'irradiation pour ctbU liquid*

tnln*Ktl«i it «MCMtlM * I'm clkta v n U t n 1 ttrmtttM la clrcvlitlm l«m-

V rai l<tt : MnattMt II ctralUtlM ém rc «M tt ramiMiMM* , l ' t rr i4l tMM|

l'éMciutlM «n | U r«nH.

I

•80-

ee qui concerne la cible A14C3 (carbure d'aluminium), le principal Inconvénient, en

plus de ceux que posent les cibles solides, est la production de Al par la réaction 2 7 A l ( d , p ) 2 8 A l . Ce dernier ( T 1 / 2 « 2,4 min.) est un émetteur de B* et de y de haute

énergie (1,78 MeV).

11-7-2 - UPSTHIPTIITM TIP LA, O W K E n'inaaiUTtON

C'est une chantre cylindrique, fermée a l 'arrière par une feuille de titane

de 100 »m d'épaisseur, refroidie a l'eau ; l'avant est obturé par une feuil le du même

•étal de 20 um. Elle sert i irradier des liquides, soit en statique, soit en dynamique

(système circulant). Une tubulure latérale, munie d'une vanne électromagnétique permet

d'Introduire le liquide cible et de l'évacuer après irradiation. A la partie supérieure

se trouvant deux autres vannes électromagnétiques1 l 'une, ouverte pendant l ' i r radla-

t1on,Vj1sse échapper Its gaz résultant de la décomposition de l'eau sous l'impact

du faisceau ; l 'autre, ouverte après 1'Irradiation, assura l'entraînement de l'eau

hors de la chambre par l'application d'une pression d'un gaz inerte (voir figure

n* 21 ) .

II-7-3 - KM QPfifflTOIrf La chambre d'Irradiation est chargée de 15 m! d'eau d ist i l lée . L'énergie de

départ des protons est de 19 MeV et l'énergie Incidente sur HgO est de 18,4 MeV.

L'épaisseur de 6 mm d'eau la dégrade complètement.

Apres 20 minutes d'Irradiation, l 'act ivi té 1 3 N , distribuée entre deux formes Ioniques l 3 N0j (94 X) et l3WOJ (6 S) , esttransférée dans l'appareil de synthèse schématisé sur la figure n° 22 .

Les nitrates et les nitrites sont réduits dans le ballon [A] par 3g d'alliage

de Devante (50 * Cu, 45 X A l . 5 S Zn) et 3 g de NaOH en grains. La chaleur de disso

lution de la .soude, est suffisante pour permettra a l'ammoniac de d ist i l ler . Au bout

de 5 min., 90 I 95 ï de la radioactivité Init iale sont collectées en [B] dans 1 ml

d'acide chlohydrique 0,5 N. La solution poussée dans le ballon [C] y est neutralisée

par de la soude 0,5 N Injectée goutte a" goutte par une machine i pipeter pneumatique

tO] . La stérilisation est assurée par passage au travers d'un f i l t r e millipore de

0,22 um [EJ. La solution en [F] contenant les Ions NHJ est alors prête pour l ' i n

jection.

11-7-4 - aÉSULTATB

L'analyse par spectrométrie Y de l'eau, Immédiatement après irradiation, met

en évidence l'existence de deux Impuretés, l'Oxygène-15 et le l 8 F dans les proportions

respectives de 49 X et 0,155 X de l 'activité i 3 N . Ces Impuretés sont produites par les

-81.

reactions secondaires suivantes :

1 6 0(o,onl 1 S 0 0 - 1 5 , 7 HaV

^ ( p . n ) 1 ^ Q — 2,5 MeV

et

Le Fluor-18 ne dist i l le pas et ne contamine donc pas la solution finale. Il n'en est pas de même de l'Oxygéne-15. Cependant, étant donni la courte période de ce radioilèaent ( T 1 / 2 « 2,07 grin.) 11 suffit d'une vingtaine de Minutes après la fin de l'irradiation pour que le quantité de ce dernier soit réduite a 0,12 .. de sa valeur init iale , autrement dit 1 0,06 S de l'activité l 3 N . Par consequent, pour déterminer l'activité en 1 3NHj, nous Mesurons systématiquement la solution 20 minutes après la fin de 1'irradiation. Pour une énergie incidente de 18,4 MeV (protons), on obtient, après 20 minutes d'Irradiation, une activité (1 3!Wj • ^NOJ) de 22 mC1/uA, ce qui permet de produite en routine, une activité *3NHJ de 400 mC! pour un courant de faisceau de 20 uA.

II - 8 - mnauME nu PROTOXYEE D'AZOTE

Le protoxyde d'azote a une viei l le histoire. Son action anesthesiante a été découverte 11 y a tris longtemps et 11 continue i être l'un des gaz les plus utilisés dans ce domaine. On lui connaît également une action hilarante et désinhibitrlce. lm buts actuellement poursuivis sont de dei - ordres : d'une part, on le considère comme un gaz inerte et l'on suppose que son passage dans le cerveau, par exemple, n'est en rapport qu'avec le dibit sanguin cérébral, [33] d'autre part, vu ses actions diverses sur le cerveau, on suppose une fixation et l'on essaie de localiser les éventuels sites spécifiques [34].

H-8-1 - EBGQuenoi La 'o-nthise, comme celle de l'ammoniac,' passe par la production de nitrates

et de nitrites [28-32]. Les conditions d'irradiation sont les mêmes dans les deux cas. Les voies de synthèse sont évidemment différentes. Pour le protoxyde d'azote, i l y en a deux. La première donne cependant, un faible rendement de production. Pour l'application médicale qui nécessite d'assez hautes activités pour permettre une bonne détection tomographique, nous avons toujours util isé la seconde. Nous allons les décrire toutes les deux [35].

-82-

Flç. 22 - ApparaiUaga pour la production da NH[an automatique

NoOHUN

mdetliftfl à pip«ttfr entunatiout. dittanct

Q vow» •tKtrwnagiwtiqu» M uflan

3 vannt tlKtromagnMigvttn « i t r men

-83-

Ilrt.!Éî!!2Sf. : * ' l 'aglt d'une pyrolyse de NHtN0j en milieu sulfurique. Le système de production est schématisé sur la figure n* 23. La première opération consiste t réduire les ions nitrates et nitrites dissous dans l'eau irradiée, en milieu basique, pour obtenir l'ammoniac. Pour cela, on envole la solution Irradiée dans un ballon contenant 3g oc "Devarda" (alliage de 50 » Cu + 45 X Al + 5 S Zn) et 3g de soude en grains. I l se forme donc du NH3 qui disti l le grace I la chaleur de dissolution de la soude. Ce gaz migre vers le partie [61 ou se trouvent 2 ml d'à-cide sulfurique (H2S04) qui vont le capter sous forme de NHj..En même temps que l'ammoniac ÎS) va recueillir l'hydrogène provenant de l'étape CA], 1 la suite de la réduction au Devarda et qu'on évacue a ce niveau par une sortie aménagée J cet effet. ceci pour éviter la réduction du 1 3 NH 4 I» 3 final suivant la réaction (!tl4N03 + H 2 ,. NH4H02 + H 20). Les nitrites d'ammonium vont se décomposer pour

donner ( i « 2 + HO), ce qui a pour conséquence de limiter le rendement en l 3 N 2 0 . A la suite de [B] vient le ballon [C) dans lequel on a mis 25 ml de hyOj , 3 a 4 m H de NH4K>3 froid et 20 • M de KN03. On y envole la solution contenant le 1 3NHj marqué . A ce niveau, on chauffe entre 220 et 260'C. Le N,0 se forme, contaminé par l'azote, l'ozone et les oxydes d'azote (MO, M 2 ) .

a««H TATt

Apres élimination des contaminants, le protoxyde est piégé dans une boucle plongée dam l 'a ir liquida. Les activités obtenues avec une telle méthode sont de l'ordre de 10 t 12 mCI, quantités insuffisantes pour un examen par détection tomo-graphique. Nous avons donc utilisé un deuxième procédé qui donne un rendement 3 3 4 fois plus élevé.

2t5f.9i£!S& : Lm système de préparation est schématisé sur la figure n° 24. I l comporte, comme toujours, deux parties : une pour la production du radioisotope et l'autre pour la synthèse du protoxyde lui-mine.

On part toujours ses ions nitrates et nitrites. A la fin de l'Irradiation, on a 15 al de solution qu'on introduit dans un mlcro-évaporateur qui va les concentrer jusqu'à environ 1 ml.

A ce mil l i l i tre de solution concentrée restant, on ajoute 20 ni d'acide sulfurique (H 2S0 #), 3 millimoles de nitrate d'ammonium froid (HH4N03) et 20 «M de sulfate d'ammonium [ ( r« 4 ) 2 S0 4 ] . Celui-ci fournit une source d'amoniaque et sert donc » déplacer l'équilibre vers la formation du NH 4

1 3N0 3 S partir des nitrates contenus dans la solution mère.

Figurt n* 23

Apparaillaga automatisa pour (a synthàsa du protoxyde d'azota °N 2 0

1

O H,Oirroditt

pwnpt

-pry ptristaltiqut - ^ —

fllllagt dt 06VARDA » N a OH

HjS0 t(2ee

thtrmomttrt

H J S O ^ ^ S Î C ) H4Na.3a4mWJ

KNOjZOmMl

vtrs fysttmt d» purification

g * y bain d'hukt

P&5Sff88&^ ptoqut chguffcntt

9 «annt tlKtromognttiqut tn ttfton

9 vannt tltctromagnttiqut tn acitr inox

-85-

Avec lei deux méthodes, on aboutit I des nitrates d'ammonium, nais dans la première c'est l'azote de l'1on ammonium ( I 3 H H J ) qui est marqué alors qu* dans la seconde, c'est celui des nitrates ( t 3 N0 3 ) .

La solution est chauffée et le protoxyda d'azott coneence 1 se former vers 220*0. A ce stade. 11 est êvldeeaent contaminé en NOj.Oj et (N 2 • NO) a cause de la réaction compétitive suivante :

2HH4IC3 ? a > * C . . H2 + 2N0 • 4HjO.

11-3-2 - HMFJCnTMN L'utilisation du protoxyda d'azote chez l'home nécessite sa purification.

En effet, l'ozone, l'oxyde nitrique (HO) et le dioxyde d'azote (NOg) sont extrêmement toxiques. Le NO s'oxyde très rapldeasnt en NO,, l'exposition t une source de N02

produit un empoisonnement pouvant rapidement devenir «ortel par arrêt de la circulation pulmonaire. A t i t re d'exemple, nous allons résumer dans le tableau XVIII les syndromes cliniques correspondants I différentes quantités de N02 respirées [36],

TMLEAU mil TOXIC[TE DU H02

Quantité de HO, resplrée en ppi

500 ou plus

Syndrome clinique

oedème pulmonaire aigu, mortel dans les 48heures

300 t 400 oedème pulmonaire avec broncho-pneumonie, mortel en 2 1 10 jours

150 1 200 bronchiolitis fibroso obliterans, mortelles en

3 1 5 semaines

50 t 100 bronchiollte avec pneumonie focale durant de G i 8 semaines et récupération spontanée

25 1 75

1

degrés variés de bronchite et de broncho- i pneumonie, mais récupération complète

10 1 40 en exposition chronique

fibrose pulmonaire chronique et emphysème

-86-

Pour Its produits qui nous concernent, Its quantités seuils de toxicité ou Irritabilité sont Its suivantes :

NO : 5 ppm

NO : 2! ppn Oj : 0,1 ppm en exposition continue.

En raison de l'oxydation de NO en NO», nous nous sommes fixés, même pour ce dernier,

unt valeur Halte dt S ppst.

Avec la purification, des tests d'analyse et de mesure ont été faits pour

déterminer les quantités d'Impuretés présentes dans le produit, i tout notant et

s'assurer ainsi qut Its quantités qui restent en fin de purification sont Inférieures

aux seuils toxiques respectifs.

Les oxydes d'azote posent dts problèmes de quantification. Pour le NO, on préféra passer par une conversion (NO » NO.) ' * * * t r tnsuite le NO. par des méthodes de ch1m1luminescenct, eolorimttrft, e t c . . La difficulté se présenta déjl au niveau dt la recherche d'un oxydant puissant. Les convertisseurs utilisés jusqu'à présent ont strvi pour dts dosages dt f t lb l t quantités (HQ dt T a l r ) . n#s que celles-ci sont de l'ordre dt quelques dizaines dt ppts, on ne sait plus comment 11s réagissant t t quai le est Itur efficacité. Aussi, plusieurs ont I ls été essayés (KHnO,, CuO, Cr0 3) .

La méthode dt purification finalouant retenue a été unt combinaison d'un eonvtrtlsstur (NO « NOj), dt plègts é NO,,. KO t t 1 O3 t t dt pièges par condensation. L'ordre dans lequel I ls sont placés u t I t suivant :

1°) XOH I 50 S ! 11 a deux fonctions : - captation d'une partit de NO et de NOj par formation de nitrates et de

nltr l t ts • rétention des vapeurs ad dts

2*) Cr03 : encadré par deux pièges d'asséchant [HglCIOjlj] pour en augmenttr l'efficacité qui peut être de 100 S dans de bonnes conditions de sécheresse. I l assure 1'oxydation do NO en HO,.

3*) CarbogUce + acétone : (- 75*C) pour capter I t HOj. En t f f t t , * • 7S*C, la tension dt vapeur du NO» n'est plus qut dt 0,06 ma Hg, valeur calculée ê partir des données du tableau XIX.

4°) Methanol ami ne : pour arrêter les dernières traces de KO,-

S 9) 81oxyde de Manganèse : captation de 1'ozone. 6°) En dernier Heu, unt spirale de Cu plongeant dans l 'a i r liquide t t protégée i

la sortie par un asséchant (Mg[C104]2) ; le H « 0 dont la température de condensation est de - 88,5'C (voir tableau XIX) y sera retenu. Après purification, un dosage des impuretés est fait et les quantités trouvées sont résinées dans le tableau XX.

*»«u~

WL

~1

Fig. ?4 - IVo.iw.lion et |«iiiflt.ittoii <fe l 3 N o.

J

http://IVo.iw.lion

-88-

TA8LEAU XIX

TENSIONS K VAPEUR DES OXYDES D'AZOTE

EN FONCTION OE LA TEMPERATURE

Oxyda d'izott 1 an «J m 40 a 100 m 400 m 760 m PF

Oxyda nitrique NO Peroxyde d'azote N02

Pratoxyda d'azote NO

-184,5 -55,6 -143.4

-178,2 - 36,7 -128.7

-171.7 - 23,9 -118.3

-166

- 14.7 -110.3

-156.8 + 8 • 96.2

-1S1.7 + 21 - 88.5

-161 - 9.3 • 90.9

La Nj produit par la réaction compétitive, mentionnée plut haut est, lui toujours 14 t t on I t dérive vers la chaarfnit d'évacuation, après la sortit da la boucla de Cu.

H-8-3 - (BLUES.

La durit dt la synthèse t t dt la purification est en moyenne dt 25 M I t t la «mura dt l'activité est faite t ce aownt-l l . Cette dernière est principal tuant dut au protoxydt d'azott plus quelques traces de NO et N0Z (voir tableau XX). Ella est en Moyenne dt 40 mCi.

TABLEAU XX QUANTITES 0'IMPURETES PRESENTES

APRES PURIFICATION

I apurât* Méthode da «sure Quantité

trouvée en ppat Limita dangereuse

en ppat

N02 Chlml1mainesctnct colorlattrie

0.3 5

NO Chlalluminescence 1.5 25

°3 Chlarilutt nesctnct 0.06 0.1

I I - 9 - PRODUCTION DU CAHBOHE-H

I l - 9 - l - iMTBunmnM

La découverte du carbone-U remonte i 1934 et son utilisation pour des marquages da molécules organiques date des années 39-41 [37]. A cette époque, le carbone-14 n'était pas encore disponible. Un grand mettre d'applications ont été réalisées es-

-89-

stntitlleaent dans le doMine biologique.

A partir de 1945, le Carbont-11 est cooplétanent (clips* par le U C et c'est seulement depuis 69 que l'on a reconsider! l'utilisation du C dans le domaine biomedical [38).

- » courte période (20,4 «vin.) peraet son utilisation "in vivo" * son «ode de désintégration peraet les «sures en coïncidence et donc une

localisation spatiale precise de sa distribution.

Les applications de ce radioélément sont noebreuses. Citons, i t i tre d'exeeple :

3 1 Mesures des réserves en CO, du corps huatin [39] * Localisation placentaire (respiration de UC0)[40] * Mesure du voluae eiythrocytaire [41] * Etude de aétabollssas [42] * Visualisation d'organes (43)

11-9-2 - onix ne lABbmim mm tait

.et reactions nucléaire* de production sont rassestlées dans le tableau XXI. Lts plus utilisées sont au noabrt dt 4. Trois ont lieu sur des cibles solides d'oxydt dt bore [ " fyd .n ) 1 ^ , l 4 ( d , 2 n ) U C , l l 8(p ,n) U C) t t la quetrlèat sur cible gazeuse d'azote [ N(p,s) CJ. Pour les raisons que nous avons explicitées en début de chapitre, nous préférons cette dernière.

Le tableau XXII reprend les caractéristiques de la réaction principale ainsi que celle des réactions secondaires contantnintts.

En se plaçant i 8 MtV, on évite les réactions qui donnent l'Azote-13. Celle qui fournit l'Oxygène-14 a 11eu,aa1s au débit laposé, 11 faut un teaps de parcours t « 842 sec pour que le gaz actif arrive au point de distribution. L'Oxygene-14, ayant une période de 70 s . , aura perdu 99,975 X de son activité.

Le gaz cible est de l'azote auquel on adjoint une faible quantité d'oxygène (0,05 t i 0,1 %). Ce pourcentage est indispensable pour obtenir le gaz prlmlre U C0 et son oxydation radiolytique ultérieure en C0g. Une proportion plus élevée est génanta, car elle conduit a la formation d'oxydes d'azote et de contaminants radlo-chiniques a 5,5 MeV. chiDiques tels que l'azote-13 produit par la réaction 1 6 0(p,a) 1 3 N, dont le seuil est

-90-

TABLEAU XXI REACTIONS NUCLEAIRES CONDUISANT AU CARBONE-11

Isotope Réaction utilisée Abondance Isotopique Qen MeV Eseull

en MeV Nature de la cible

" I ,N(p, s) nr 1 0B(d.n)i»c

99,6 99.6

- 2,92 -5 .14

3,13 5.88

gaz gaz

" I ,N(p, s) nr 1 0B(d.n)i»c 16.6 + 6,47 - solide "Wd) 1 ^ l 0 B(« . t ) "c

16.S + 3,2 - solide "Wd) 1 ^ l 0 B(« . t ) "c 16.6 -11,14 15,6 solide "8<p,n) UC 80.4 - 2,76 3,01 solide

"c I 1 8( 3 He. t ) 1 1 C 1 1 «(o, tn) i l C

"C(P.«) U C

80.4 80.4

-4 .99 - 2

5.89 2.54

solide solide I 1 8( 3 He. t ) 1 1 C

1 1 «(o, tn) i l C

"C(P.«) U C

80,4 98.9

•24.9 -18,7

34 20.3

solide solide

I 1 8( 3 He. t ) 1 1 C 1 1 «(o, tn) i l C

"C(P.«) U C 98.9 -16,5 17.9 solide ^ ( d . t ^ ' c 1 2 C('He^) , 1 C l 2C(a.an)"C

98.9 98.9

-12,4 1,85

14.5 solide solide

^ ( d . t ^ ' c 1 2 C('He^) , 1 C l 2C(a.an)"C 98,9 -18,7 25 solide

TABLEAU XXII REACTIONS PRINCIPALE ET CONTAMINANTES

DANS U PRODUCTION OU CARBONE-11

Rtaction nucléaire

»N(P. . ) U C " « ( P ^ ^ N " N ^ W ^ 1 4 Np.n) l 4 0

QenNeV Eseull «• " » v

3,13 8,92

U.3 6.35

Rtaction nucléaire

»N(P. . ) U C " « ( P ^ ^ N " N ^ W ^ 1 4 Np.n) l 4 0

- 2.92 -8 .33 -10.SS - 5.93

Eseull «• " » v

3,13 8,92

U.3 6.35

H-9- 3 - PHmjmnN nu mawae i * C M M U I HUMH? au «panag-U

La chaebre d'irradiation est de aéae conception qtw celle décrite précede*-•ent. Sa longueur est de 60 ce.

Les conditions d'Irradiation et d'expérience sont regroupées dans le tableau XXIII.

-91-

TABLEAU XXIII CONDITIONS D'IRRADIATION ET D'EXPERIENCE

Paraoltres Valeurs

Intensité du faisceau 20 UA Energie de depart 8,5 HeV

Energie laddente 8 HeV

DliMtre du faisceau 20 aa Gaz de balayage 99,9 S N 2 • 0,1 t 0 2

Pression de la chanbre 1150 aaHg

Fenêtre* nature HAVAR

Noabre 2 Debit Marque 1.4 ol/s Pilots Noabre 1

Nature CuO Température 800*C

• Mesures

Une concentration radioactive de 0,25 atl /al est obtenue par une énergie des particule* Incidentes de 8 NeV et un courant de faisceau de 20 »A.

I I - 9 - 4 . pamm.a i «c l'marne v GMMBBC mncrf M I Hf.

Le U C0 s'obtient par reduction du U C 0 , . Sa aéthodt de production est en i l

tout point Identique I celle que nous venons da décrire pour le COj. I l suffit de faire circuler le gaz sortant es la cnaabre d'Irradiation dans un four contenant du zinc 1 390>C afin de transformer l'intégralité du U » z en UG0.Ufl plége de SODA LIME éllaine les traces éventuelles de l l C0j non converties.

- Mesures

Dans ce cas, la concentration radioactive est de 0,22 atl /al pour un faisceau de protons d'énergie E > 8 HeV et de 20 uA d'Intensité.

C H A P I T R E I t !

LA EEIHTION DM6 LES /ffUCATKIB RJLfflnWRES, CWDIAOŒS ET ŒREBRWfS

I I I - 1 - LA TOrPgWHIE PAR &IISSIOH CE POSITHONS

Hl-l-1 - nmmmTim Dis 1951, Wrm et trommel T44-45] ont propos* un modèle dt caméra I posi

trons ; cependant, Its méthodes d» toaographit transverse n'ont paru possibles qu'après It développement dt l t tomographlt par rayons X, par transmission.

Ce qui a réellement Introduit ces appareils dans l t douaine médical et a aidé» concevoir des méthodes dt quantification permettant leur utilisation revient au développaient, ces dernières armies, dans trois domaines complémentaires :

1*) Progris realists dans la domine de l'informatique ; l'augmentation de la vitesse de traitement des données at l'élaboration d'algorithmes adaptés i la reconstruction d'inges.

2") Apparition de centres de recherche équipés de cyclotrons pour la production des radioisotopes de courtes périodes, émetteurs de positrons et certains d'entre aux d'une Importance toute particulière dans la douaine biologique ( 1 5 0 , 1 3 N, et u c ) .

3°) Intérêt manifesté pour las synthèses de radiophamaceutiques dans le but d'étudier des phénomènes physiologiques, des nétabolismes ou des dynamiques de ces produits.

III-1-2 - PRINCIPE BE LA TOrMffWIE PAfi TOSPRCNS L'image tomographique est reconstruite a partir de la détection des deux

Y de SU keV émis simultanément et i 180" t 3° au moment de l'annihilation du positron 6* avec un électron s" des tissus. Les détecteurs qui recueillent l'Information sont montés en coïncidence et Indiquant ainsi le lieu géométrique (ligne de détection)

-9t-

d'émisslon du positron [44-481.

Ce principe de coTnddence réélise ce qu'on appelle une "collleatlcn électronique" qui ne dépend que de 1« dimension des détecteurs. Cette caractéristique représente un «ventage important des émetteurs de positrons sur les émetteurs de y slaplet, dont la detection nécessite une collimatlon •écantqut, qu'on qualifiera, par opposition, de "gtoaatiique*. La figure n*Z5 schématise le principe d'une telle detection.

L'événement se produisant au point (Udonne Heu l une coincidence alors qu'11 n'en n'est pas de méat pour celui se produisant en(2).Ce dernier peut cependant, avec le concours de 4,donner lieu t la detection d'une feusse coTncldence. Le nombre de ces fausses coïncidences affectent la precision de l'ieage et depend de la fenêtre en tsaps imposée pour accepter deux Ivinomsnts comae étant en coTncldence (12,5 nsec pour EUT I I et 20 nsec pour ECHT IV). Ce nostjre peut, par ailleurs «tre «value et retranché électroniquement par une ligne 1 retard. L'événeaent(3)peut aussi donner une coTncldence, si l'un des Y est diffusé (dérivé de te trajectoire initiale) et envoyé sur un détecteur. Le nombre de ydiffusés doit être Hérité en laposent une énergie seuil. Elle est de 100 keV pour VECAT, valeur qu'on ne peut dépasser sans trop abaisser le taux de comptage, aels qui mslhourouieint ne permit de Hatter que l i nombre des diffusés Multiplet. 111-1-3 - an» CT AmuTME» ne i a •WÈnmàmtv eau ÉMISSIOH t*

L'objectif est de mesurer d'un» façon aussi Men qualitative que quantitative la répartition d'un traceur, Émetteur de positrons, dam l'espace I 3 dimensions et de suivre l'évolution de cette répartition dans 1e teaps. On parle volontiers d'auto-radiographie, tranche par tranche, de la distribution de l'émetteur. Cela permet I la Médecine de réaliser "in vivo" et par des moyens atrauutlques, des investigations jusque-la Inaccessibles «t très diversifiées, allant des études topographiques ou morphologiques *ux études physiologiques et dynaaiquts de toutes sortes telles que :

- la comprehension des modes d'action des médicaments et leurs dynamiques - celle des phénomènes physiologiques - celle des voies métaboliques et leurs ouantlfications.

En effet, grâce au principe de détection des topographes i émission e*, la quanti f lot ion est réalisable d'une façon très précise. C'est l'un des avantages essentiels de cette nacMne.

Les moyens classiques oc détection - scanners, ycaméras, sondes basés sur

la détection en'simples photons" permettent des études morphologiques et fonctionnelles.

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discrimination et

mise en forme


Figure n* 25

1

J

-96-

wis présentent das Inconvénients insurmontables :

• Ils nécessitent unt collimation géométrique qui rend le rapport résolution/ Sensibilité peu favorable

- la résolution spatiale dépend dt la profondeur et on a aucun moyen de contrôle sérieux sur l'évaluation de l'atténuation t t de 1a diffusion dans les tissus.

Dans le cas de la détection en coïncidence, la résolution spatiale ne dépend pas de la profondeur. Unt autre caractéristique essentielle des émetteurs de positrons résulte du fait que l'atténuation est Indépendante de la profondeur.

En effet, quelque soit le lieu d'annihilation du positron (voir figure n°2S) sur le trajectoire AB, dt longueur 1 , l'atténuation globale st fera toujours sur cette longueur. Ou anient que la détection des 2r donne Htu I un stul événement compté, l'atténuationpour Its dtux Y ptut être exprimtt en ttnat dt probabilité par I t produit des atténuations des deux y pris séparément :

, - „d i t - u l -d ) . ,-ul

u étant I t coefficient d'atténuation du ai lieu.

Le facteur d'atténuation d'un milieu peut ainsi être Mesuré et les comptages dans des "scans* d'émission parfaitement corrigés. Cans I t cas d'organe » symétrie elliptiques (ou circulaire), le facteur d'atténuation sera calculé i partir des dimensions géométriques t t d'un coefficient moyen du milieu atténuant. Cette technique et notamment utilisée pour les études cérébrales.

I I I -1-4 - OUnLlTF. n'iKE IMMJ TOMOCIWHIOtlT ET IHRBM*TI<1MS UTOPIII IFS

Cette qualité est subordonnée i deux facteurs qui sont :

• le raabne d'événements qui la constitue. Ce dernier dépend essentiellement de l'efficacité et de la sensibilité du détecteur. Une bonne précision statistique nécessite un rapport signal/bruit aussi favorable que possible. I l faut donc faire un cuapronis pour limiter le nombre des coïncidences fortuites. U fidélité de l'image dépend aussi de la disposition des détecteurs et de l'échantillonnage lors de l'acquisition de l'Information.

-97-

• La resolution spatiale. Elle est définie par la largeur 1 mi-hauteur de la fonction de répartition d'une source linéaire, placée au centre de l'appareil, voir la figure n* 26.,

Elle ne peut malheureusement dépasser certaines Unîtes Imposées par la nature de l'émission d'une part, les techniques 4e détection et de reconstruction d'autre part. Les facteurs qui concourent 1 sa dégradation sont :

. la dispersion angulaire de 1'émission y d'annihilation autour de 180° (de 0.5 é 3*. selon les auteurs) qui la Halte 1 2 ou 3 an.

. le parcours des positrons avant annihilation qui peut se traduire par une résolution spatiale de 1 I S ma selon l'énergie du positron éais [49].

. l'influence des diffusé* et des fortuites, les techniques de reconstruction et le aode de correction de l'atténuation [50].

. la finesse de l'échantillonnage et 1a renroductlbllité du mouvement mécanique de l'epoerel1 1ors de l'acquisition.

. les dimensions géométriques du détecteur. C'est un facteur qui a une grands importance puisqu'il contribue é la dégradation de la résolution spatialC/Ct sa contribution I la FMHM que nous pouvons noter (FWHH)A est donnée par des détecteurs cylindriques de rayon b (ca) ou rectangulaire de largeur x (en), par :

FM*V • 8 / b (cylindre) [ 5 1 ]

• Sx (rectangle)

I l est d'usage de caractériser 1a résolution spatiale par le seul paramètre (FUHH) qui nous est donné par 1"approximation que nous faisons quand nous considérons la fonction de dispersion d'une source (L.S.F.) comme étant une gaussienne. Cela nous permet d'avoir la largeur é mi-hauteur de cette fonction (FMHH) é partir de tous les facteurs qui contribuent é la dégradation de la résolution par la relation :

(FMHH)2 * (FHtQJi • (FHHN)| •

Une fois le traitement de 1'image terminé Correction d'atténuation, reconstruction, soustraction du bruit, e t c . ) , celle-ci est utilisable de plusieurs façons :

* tracé d'histogrammes x sélection de zones d'intérêt

16

V) •v. c

FWHM . _ dans lair =12mm

L cm FID. 26 -Fonction de dispersion d'une source linéaire

placé perpendiculairement au plan de coupe.

J

-99-

« opérations sur las Images (soustraction, rapport...) ate . . .

Pour faire de telles opérations, l'étalonnage da l'appareil est nécessaire et l'étude de ses paramétres physiques constitue une étape indispensable. L'Interprétation d'un résultat passe souvent par une quantification qui n'est possible que par l'Introduction de programmes spécifiques.

I I I - H - CA*MS TOMMMPMiaEB ArtlB I MBIT IfTI. «Site EM Mftyril*

Les deux seules caméras 1 positrons actuellement sur le «arche sont celles commercialisées par la f i n » EG t ORTEC, Inltialeaent développées par TES PofiOSSMN et PHELPS et dont un exemplaire de chacune se trouve au centre de Liège.

- la preeriére est une cetera "corps entier*, monocoupe, dans laquelle les 66 détecteurs dt haï sont disposes en (6 x 11) sur les cotés d'un hexagone. Chaque détecteur est électronlquet-nt couplé avec les 11 qui lui font face, pour la détection en coïncidence. L'enstablt est animé d'un wuvatant de rotation de 60° (12 x 5° ou 6 x 10*) t t Its lates dt détecteurs d'un mouvement de translation lattralt . la figure n* 27 schématise l t système. La résolution spatiale aoyenne est dt 12.7 m t t la résolution axiale aoyenne dt 19 ta.

• la deuxième est une caméra •neurologique', multieoupts, dont tes détecteurs sent déposés par i l sur las cdtés d'un octogone. Lt motif est répété deux (ou trois) fols et peut réaliser respectivement 3 ou S coupes simultanées [52-53).

Le cristal détecteur est cette fols-ci un germinate de bismuth (BGO) qui offre l'avantage sur l t Mal d'une meilleure efficacité (2,3 fols plus élevée), la géORétritdu dispositif optimist Its résolutions spatiales t t axiales (respectivement de (8 ± 0.4 am) et (13 ± 0.4 mm) et minimise le nombre des coïncidences fortuites et diffusées.

Dans les deux systèmes (appelés ECAT I I t t EUT IV) Its détecteurs sont connectés t un minicalculateur DEC PDP-11/60, par l'intermédiaire d'une interface CMWC.

Les autres caméras è positrons, existant * l 'état de prototype et servant i la recherche, présentent les caractéristiques suivantes :

i

• 2 tapis de 140 cristaux de haï chacun, avec rotation autour de 1'objet (5 t 10 min) et réalisant 22 coupes simultanées (grownell,Ma»achussets), [46],

I -1:0- I

FI S. v - Schéma da la géométrie du system* da

tomographic par amission da positrons

ECATI I .

1 -101-

DETECTlON AMPLIFICATION ET

CONDITIONNEMENT ACQUISITION

ANALYSE TRAITEMENT

2 aedas

Fig. 28 - Syattaa da dtfteeticn at da traitaaant

!A. Csaptact avae addition par pairta (12 aondas! su cooptas.* sans

eoXneidanea ni addition (6 sondas) 3. Coaptaj* avae coSaeidene* par pair** (12 «onctsj

a. 12 sondta - crista: NalCTi), 2»x2", PK, pr-aapli s. 12 aapliflcataurs a Ilfna da ratard e. 12 aalaetaurs aenoeanal d. 6 unités da eoZneidanea rapid» (A) a. 6 asplifisataurs/lnvarsatra (B) t. 3 cartas d'acquisition aultiWeiiella f. analysaur prograssable IN'SO h. isprisar.tc nua*riqu*-gr»si:ie.u* i. unit* da visualisation

-va-

- 2 anneaux da 64 dltactturs an BfiO, permettant das études dynamiques a raison da 1 sac. par Image (Ywaaoto, Hontrlal), [54],

- 1 inntau da 280 déttctaurs an BGO, sans mouvement mécanique (Berkeley, Buddlnger), [55].

• S annaaux da détecteurs Nal avec mouvement hélicoïdal permettant des temps da post da quelques saeondts, pour las étudas cérébrales (Saint-Louis, Missouri Tar Pogosslan), [56].

I l l - 2 - CÉTECTION PAR SOrCES

HI -2 -1 - IMTBBPIJCTiew

En dépit da la mauvaise résolution spatlala da la mesure (on masure l'activité contenue dam la volut» visé), la détection par sonde fournit da précieuses informa-tlons at peut être, d'une certaine façon, complémentaire da la tomographte. En effet, la mode d'acquisition (an continu) rend possible las étudas da e1nétique rapide ainsi qua celles da tous 1 M pherwends dynamiques.

il 1-2-2 - nFOTifnnB Dans la multlsonoe utilisé é liège 11 y a 6 paires dt détaetaurs constitués

par das cristaux da Hal(Tl), 2"x2\ couplas I das pbotoeultlpllcateur*. La schéma da fonctionnement de cet ensemble da détection, da l'unité d'acquisition et da traitement est repris sur la figura n* 28.

Las 6 paires da sondas peuvent être Montées an différants systèmes et ut i

lisées dt diverses façons» >*1on las besoins nédlcaux.

m-2-Z-*rsssèsjnatusL Las gaz physiologiques disponibles permettent de nonbrausas étudas au niveau

pulmonaire. Nous citons las plus Importantes :

- étude de la ventilation pulmonaire régionale, i l'aide de ja i Insolubles tels qua le 1 3 N 2

- études parallèles de la ventilation et de la perfusion pulmonaire â l'aide de gaz solubles : C 1 5 0 2 et "cOj .

Oans îe cas, les S paires de sondes sont en vis-à-vis et électroniquement couplées pour les masures en coïncidence.

-103-

Lt dispositif txpérlaantal tst représenté sur la figure n° 29.

111-2-2-B-SYSTftE WDInflJE Dtns Its itwdts dt dynamique cardiaque, 6 sondts sont utilisées pour la

déttction dt tous Its photons M s (sans montage tn coTncIdtnct) t t sont dlsposéts dt façon qut l t patltnt puisst s'y adosser. Uni 7èae sondt orientable assure la détection au niveau du ventricule gaucht. Lt dispositif expérimental tst représenté sur l t cliché n* «.

Les buts poursuivis dans et doaalnt sont dt deux ordres : d'un coté, 11 y a les mesures dt débit sanguin qui donnent une Idée sur l'apport tn oxygène t t en substrats métaboliques au tissu cérébral t t d'un autre coté. Its atsurts dt l 'u t i lisation dt ces élétants (aétabollsM).

Pour réaliser et genre dt «sures, les sondts sont dlsposéts dans un casque cérébral, selon des orientations étudiait, l t cl (cité n*7 l t représente.

II1-2-3 - PBWWMéHCgg

Lts 3 systems sont connectés sur un tnsatèlt d'amplification, dt conditionnaient t t d'acquisition. Un analyseur prograaaablt IN 90 ptraet l t tn1 tètent dt 1*1nforaat1on t t deux périphériques (lapriatntt nuaérlqut-graphlqut t t unité de vi sualisation) y donnant accès.

Lt tube photoaultipllcattur utilisé tst dt type 52B01 commercialisé par ORTEC. I l a un diamètre aaxlaua dt 52.5 a i t t tst constitué dt 10 dynodes entre ' lesquelles une tension de 300V tst maintenue. C'est un tube bien adapté ayant une bonne efficacité t t présentant un petit courant de bruit de fond.

pUy ««:«, mint 4* f m actif (tftbil «t •ctMtlfiHM)

%pitmmiUm Impure jhi wlumt mtfm\

Fig. 29 - Circuit respiratoire

J

-105-

CllcM n* 6 - Exaatn cardiaque

" I -106-

CHch* n° 7 - Casque «ultisonde utilise pour les IXHMS cérébraux a l'oxygene-15.

C H A P I T R E I V

UTILISATIONS MEDICALES SE QUELQUES fOEULES PRODUITES

I V - 1 - UTILISATION DU PROTOXVDS P'AZDTE HWOUÉ : ^Hf fS7]

rV-1-1 - iMTEnrurrinu

Le but premier était de faire une approche de l'action hilarante et dé-slnhibitrice-du protoxyde d'azote, bien connue des anesthéslstes.

Bien que ci gaz soit connu depuis plus de deux siècles et fréquemment utilisé, son Mécanise* d'action est toujours aussi obscur. En le Marquant a t'Azote-13, on pouvait avoir un puissant Moyen pour aborder ce problème.

Pour définir le protocole experimental, l'utilisateur est parti de l'hypothèse d'une action au niveau cérébral, sur des sites spécifiques, en 1'occurence sur les centres responsables du rire si ces derniers existent. Le rire étant "le propre de l'home", ce centre devait être recherché dans une circonvolution cérébrale qu'11 est le seul a posséder (1ère circonvolution frontale ou Fj ) , dans les noyaux gris centraux, thalamus et hypothalamus, réglons supposées intervenant dans le phénomène du rire [58]. La figure n° 30 schématise le cerveau humain et les droites tracées délimitent la zone explorée.

IV-1-2 - PROTOCOLE EXPêRiraiTflL

I l s'agit de faire Inhaler du protoxyde d'azote marqué a l'Azote-13 et de

prendre ensuite des coupes tomographlques au niveau cérébral, pour en localiser la

distribution, la Mesurer et suivre le phénomène dynamique.

Après analyse et purification [59], 100 ml de protoxyde d'azote contenant

40 a 45 «Ci sont envoyés dans un ballon d'anesthésiste et dilués dans deux litres d'oxy

gène.

fig. 30 - DéHnltitton des zones explorées dtns le cerwetu.

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-109-

Le sujet volontaire, en position pour l'examen, procède avant Inhalation du produit, â une dinitrogénisetlon pendant 50 I 120 sec , en respirant de l'oxygène pur. Après cette opération, les deux litres d'oxygène avec une concentration totale en N-0 de S ï sont pris en une inspiration protonde, suivie d'une apnée de 30 sec, pour permettre è un maximum de protoxyde Marqué de diffuser dans le sang alvéolaire.

Pour éviter la reaontée du gaz radioactif dans les fosses nasales, ces dernières sont obturies par des ballonnets oesophagiens, gonflés. Après les 30 secondes d'apnée, le sujet se «et i respirer dans un circuit fermé, un mélange oxygène-protoxyde d'azote (90-X - 10 S). Les 10 t de protoxyde froid sont fournis pour limiter le lavage de celui qui est «arqué [60].

W-l-3 - BÉaUHS-flBIBiÊ Des coupas biographiques ont été faites è différentes hauteurs au niveau

cérébral, selon les plans parallèles è la ligne orbltoméettle et en dehors des fosses

nasales dont le position est repérée par des ««sures de transmission.

Compte tenu de la résolution axiale du tomograph» I émission s*, qui est de 19 «H, nous avons pu constater que la répartition de l'activité dans les couches corticales situées entre 3 et S cm au-dessus de la ligne orbitoméaUl» était homogène. Au contraire, dans la couche situé» antre 1 et 3 cm au-dessus de cette même ligne et contenant, entre autres, toutes les structures impliquées dans le phénomène du rire et de la déslnhlbitlon, cette répartition est inhomogène.

Cette Inhomogénéité a été arise en évidence sur tous les sujets ayant subi l'examen (12 volontaires). Quatre d'entre eux l'ont subi dans des conditions expérimentales semblables et ont été sélectionnés pour une étude qualitative de la cinétique du lavage du protoxyde dans quatre réglons "d'Intérêt* choisies i des endroits de fortes densités de concentration de la molécule marquée.

Cette étude a été menée sur 8 coupes consécutives (du mime plan), effectuées en une trentaine de minutes. La première acquisition est de 80 sec. (temps nécessaire pour assurer une bonne statistique de comptage). Pour les 7 suivantes,la durée augmente continuellement afin de compenser la décroissance radioactive. Cette cinétique est représentée, d'une part, par l'ensemble de photographies numérotées de 1 J 8 et provenant de l'examen d'un sujet,(Cliché n*8), d'autre part, par les courbes portées sur la figure n* 31 qui donnent l'évolution dans le temps de la concentration radioactive dans les S "réglons d'Intérêt".

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Cliche n ' ! - Taupes tau» raniiirues cSrfhralas obtenues îors l'un exaren 13.. „

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-113-

Les courbas da U figure n*32 représentent Its moyennes chez les 4 sujets. Leur évolution relative permet da distinguer des différences dt fixation (ou de v i tesse dt lavage) panai ces réglons. Ainsi, nous voyons que les deux lobes temporaux réagissent pratiquaient da la même façon, que I t cervelet tst le plus rapidement lavé, alors que la région frontale rest» favorisée Jusqu'à la f in .

I V - M - WffBrUftATIflH FT niSfirBTfln Pour situer cette expérimentation dans son contexte. 11 faut savoir qu'elle

est faite sur l'homme pour la première fols, qu'elle n'a donc ni autre protocole expérimental, ni Interprétations ou indications pouvant servir dt références. A côté de cela, U résolution da l'appareil dt détection ne donne pas l'Information avec la finesse souhaitée par ce genre d'études (localisation dt volume de l'ordre du cm3 : hypothalamus, F j ) . la couche d'Intérêt peut être "contaminée1' dans «me faible proportion par les structures aérlferas adjacentes (fosses nasales, sinus....) malgré les précautions draconiennes qui ont été prises.

0'autre part, on ne connaît rien sur le comportement du protoxyde dans l t cerveau (ni nulle part ailleurs dans les tissus) : on ne H i t s ' i l y a fixation, diffusion ou simple passage directement l i t tu dibit sanguin, coaat c'est le cas pour un gaz Inartt t t coaat l'ont supposé d'autres tuteurs (33].

Cette hypothèse ne satisfait pat complètement les anesthéslstet qui savant que le protoxyde n'est pas inerte (eu sens propre du mat) puisqu'il a un» action anes-thésiqua. dtslnhlbltrlc», voire mémt hilarant». I l a également diverses propriétés neurophyslologiquas aises en évidence par d'autres expériences.

Les résultats dt nos essais sont également en contradiction avec une telle théorie et semblent démontrer une fixation de ce gaz dans des réglons préférentielles.

Ce travail a suscité beaucoup d'Intérêt. I l a dorme Heu « trois communications orales (Congres International de Médecine Nucléaire de terne. Congrès annuel dt la société d'E.E.G. et de Neurophysiologie clinique PARIS.décembre 81) et * trois présentations de Posters (Congrès dt Hturosdtnct - Liège,14-18 septembre 81). Des réunions de scientifiques locaux et dt médecins de différentes spécialités se sont également réunis pour en discuter. I l est évident que le travail réalisé ne répond pas encore 1 la question posée au départ (sites spécifiques du r i re) , mais au cours du travail i l y a eu tellement de questions passionnantes (aussi bien du point de vue cérébral , neurologique ou neurophysiologique que du point de vue de son utilisation par les antsthêslstes) posées,que nous avons essayé de profiter au maximum de ces Investigations. Deux problèmes essentiels ont été soulevas. Le premterttous met en

garde contre la confusion qui peut I tre faite entra une fixation localisée du produit et son action. La dsuxlên* est d'évaluer la coaposante vasculalre qui peut exister et procéder é une correction de façon é aettre en évidence la fixation é proprement parler.

1*) Un travail fa i t parallèleaent par un neurophysiologiste de l'Hôpital de Liège répond I la première question t e l ] .

L'expérience consiste en la assure,! l'aida d'électrodts d'ondes électriques t différents niveaux du cerveau.avant et après Inhalation de 10 S de protoxyde d'azote. Ces ondes bien connues en électroencéphalographie sous le no» de Variation Contingente Négative (C.N.V.) varient avec l'état êaotlonnel, la Motivation, l'état d'éveil et l'attention de la personne C62].

Cette onde a une amplitude et une durée. Certaines drogues et nedicaatnts agissent sur l'aaplltude de cette onde. Le protoxyde étant un anesthéslant I forte concentration, on voulait voir s ' i l avait une action sur. cette C.N.V. et si cette action était hoaogène corne est supposée être sa distribution dans le cerveau jusqu'à présent.

Le concentration de 10 S a été choisie pour être dans les conditions de l'expérience sanêe au protoxyde Barque . Une dizaine de sujets ont dejt été traités et les résultats sont pour le «oins étonnants :

- tout d'abord, au lieu d'agir sur l'oapUtude de l'ondt, le protoxyde agit sur sa durée.

- l'action est essentiellaaent au niveau frontal, c'est-I-dlre sur la couche oO nous avons observé une forte concentration. Les résultats de tous les sujets vont dans le aés* sens.

Cette expérience confira» 1'InhoaDgénêltê de la distribution que nous avons observée sur les coupes toaographiques et 1'action du produit aux endroits de fortes fixations.

2*) Une dtuxleat série d'expériences est en cours et devrait permettre d'es-tlaer la coaposante vasculalre. I l suffit d'établir un cartographie des débits sanguins régionaux dans la coupe cérébrale en question, de calculer les proportions correspondant aux régions d'intérêt choisies et de corriger les courbes déji obtenues.

- U 5 -

IV-1-5 - C0MCUUS10H

I ts courbas obtanuts permettent da distlnguar las différences da cinétique salon las réglons : nous pouvons voir qua las deux lobai temporaux réagissant pra-tlquaaant da- la marne façon, qua la carvaltt tstla plus rapidement lavl , alors qua la région frontala rasta favorisât Jusqu'à la f in .

La conclusion qua l'on tst tenté da tirer est de dira qu'il y a une fixation préférentielle du protoxydt d'azote au niveau frontal, puisque bien qua la débit soit élevé 1 cet endroit, la disparition se fait plus lenteaant. D'autre part, on ne connaît rien sur le comportement du protoxyda dans le cerveau (ni nulle part ailleurs dans les tissus). On ne sait s ' i l y a fixation, diffusion» ou staple passage directeeant l ié au débit sanguin, come c'est le cas pour un gaz Inerte et nam l'ont supposé d'autres auteurs.

Avant dt parler de fixation préférentielle, la question fondamentale est donc de savoir si oui ou non 11 y a fixation. Noua pouvons répondre I cette question par l'utilisation du lia» produit marqué t t la tomographic transaxiale par éarisslon en réalisant una expérience dont 1'hypothèse de travail va être exposée et dont le résultat sera sans aablguité.

HttOTHESEPETMVA.il. Une fixation supposa l'existence de sites spécifiques (et espée1f1ques)'. Ces

sites ayant une affinité pour un produit donné vont le fixer Jusqu'à saturation, c'est-à-dire jusqu'au moment où tous ces sites sont en quelque sorte bloqués. SI on continue t fournir le ate* produit, en raison da son affinité, 11 va solliciter les «teas sites, ce qui crée un phénomène de compétitivité entre celui déjt fixé et le nouveau. Les aolécules arrivant vont débloquer les sites en chassant celles qui sont déji fixées pour prendre leur place. Le phénomène est d'autant plus important que la quantité fournie est grande. Si au départ, on donne une petite quantité (de façon 1 ne pas saturer les sites) de ce produit marqué et que l'on fournit ensuite différantes concentrations da ce produit froid, on peut faire une étude de cinétique du produit actif t ces concentrations et voir si cette demi ere est modifiée.

Cette méthode a déjà été utilisée pour vérifier la fixation de drogue ou de médicament au C.H.F.J. d'Orsay, et le type da cinétique obtenu représente en % d'activité Initiale d'une R.O.I. en fonction du temps et pour différentes concentration est le suivant.

http://HttOTHESEPETMVA.il

r -U6-

jLA»

-«/,

C» > C» > Cj > Ci

- £

Cinétiques d'un produit ayant la propriété dt se fixer

ou les Ci font les concentrations dt produits dispensées. Ceci «ontre qui la cinétique M t d'autant plu» rapidt qut la concentration a i t élevée. D'autre* courbas pourront •tnt tractas.

Dans la cas dt sieple diffusion. I t vitesse d'tliirinatlon du produit nt devrait pas changer vu qu'il n'y a pat le ph en peine compétitif relatif 1 la fixation et quelle que soit la concentration dispensée, ta vitesse d'tHsrtostipn sera la • * * * .

fùutaiffmrafVF\'F»fmfmm\sfeÊs En position pour l'exaaen. le sujet va inhaler 100 ni de protoxyde Marque,

coaee dans les explrlences pissées. C'est uni quantité qui ne sature pas les éventuels sites.

Apres inhalation et apnée, le sujet va respirer un aélange d'oxygène et de protoxyde froid dans des proportions dttenrinées.

En raison de la courte période de l'azote, on ne pourra faire qu'une cinétique I la fois.

Les cinétiques seront faites au niveau dtjt étudié (OH + 3) et pour des concentrations en N,0 progressives. La respiration ne sera pas faite en circuit ferai : l 'a ir Inspiré devra être rejeté.

Pour cela, 11 suffira de le faire respirer I travers un eebout avec valve

-117-

b1directionnelle dont l'arrivée amènera le mélange Oj - N20 et le depart Ira dans la cheminée d'évacuation.

L'arrivée pourra être raccordée I deux bonbonnes (0 2 - H20) par l'intermê-dlalra de deux déblialtres qui peneattront le réglage des débite et donc la teneur du aêlange. La durée de la cinétique devra peraettre l'obtention d'une dizaine de points.

IV - 2 - UTILISATION CE L'wtmwauE mat : ^tt$

IV-2-1 - '•«""•'"" L'Injection de solution de UhT)J pensât touU une variété d'études, due en

particulier i la courte période de 1 3 N . La similitude das ions K* et [NHj] au point de vue métabolique dans le système enzymatique t t leurs caractéristiques de passage Identiques au niveau du myocarde a été indiquée par Hunter et Monahan (631.

La grande concentration radioactive des solutions injectées permet des taux de comptage plus élevés que dans le cas du K*. Us études menées peuvent être classées en deux catégories :

1*) Etudes dynamiques comportant elles-mêmes deux volets qui sont :

• mesures de débits : une solution de I 3 m J Injectée par voie intraveineuse se répartit dans 1'organisme en fonction des débits sanguins régionaux et permet donc leurs mesures, notamment au niveau cérébral et myocardique.

• étude du métabolisme : le ^ W 3 constitue un précursseur Intéressant dans les synthèses de substances biochimiques dont le metabolism conduit aux acides aminés, t l'urée et t la purine et rend ainsi possible l'étude des activités métaboliques d'organes tels que le foie, les reins ou le cerveau [641.

2') Etudes statiques : le U ( n J se fixant sélectivement sur certains organes. 11 est possible de l'utiliser pour une Imagerie de ces derniers (caméra Anger, Topographie d'émission) et détecter la présence de tueurs, la cirrhose du foie ou l'Infarctus du myocarde [63-67]. Ce dernier point est ici étudié.

-118-

IV-2-2 - Bamt>m.c evahHMaira. FT pteULTAro

L* but de e*tt* «tudt est da détecter rInfarctus cardiaque et de mesurer s* tai l le . Catt* mesure s* fai t ortee I un tr*1tea»nt de lMnag* obtenu* utilisant 1* tract d'isocontours d'activité. La ttlll* de la région infarci* u t obtenu* par comparaison avec l'Image du ayecard* tain, pris* avant que l'Infarctus soit provoque. En effet, dans cette utilisation, nous soaaes encore l un stade expérimental et toutes les études s* font sur des chiens.

Un* premier* injection d'un* solution de U ! « J est faite dans la veine fémoral* du chien encore sain, ce qui permet d'obtenir l'faag* noraele du myocarde. Par la suite, on provoque un Infarctus par ligature de 1"Inter-ventrlculaire antérieure ou d'un* d* ces branches et on procède 1 un* nouvelle injection de la mime quantité

de solution d* NHj (30 «CI) dans la veine fémoral*. L* traceur est tris peu absorbé pendant 1* passage pulmonaire, par contre, au niveau cellulaire 11 est capté dès son premier passage. Us échanges avec 1* art lieu extracellulaire est lent en raison de la fixation métabolique d* l'ammonium.

Pour localiser l'infarctus, on procéda I un* série de coupes tomographlquas de façon I couvrir la totalité de l'organe. En général, S coupes (une par centimètre) représentent un noabre suffisant et permet de visualiser l'anomalie dans la région epicale du coeur.

Un* trois1è*e étude est faite quinze jours plus tard pour suivre l'évolution de l'Infarctus.

Cette étude a également était fa i t * avec des Injections de solution de Potassium-38 qui donna égalwent de très bons résultats surtout avec la technique utilisée pour l'injection. En effet, si on doit Injecter le produit dans la veine féaoralc. les résultats (au point de vu* ieagerl*) sont aellleurs avec 1* Potassium 38 qui est plus spécifique du Myocarde que n* l'est [ 1 3 W 4 ) + qui est un peu capté par tous les organes, ce qui créé un bruit de fond.

Les meilleurs résultats sont cependant obtenus avec des solutions de t 1 3 f t ) , l +

en injection artérielle (artère coroonaire) car les activités disponibles sont très élevées (22 mCi/uA). Cette technique d'Injection est cependant plus traumatisante et ne peut être pratiquée qu'en cas de nécessité. C'est la raison pour laquelle, pour cette étude, l'injection dans la veine fémorale a été préférée.

-119-

- Résultats

L'étude ait tncort tn cours t t la quantification par I t traitement d'Images mentionna*! plus haut (tract d'Isocontours) n'est pas encore termine. La visualisation de l'Infarctus est.elle,facilement realisable, aussi bien par la [ 1 3 N H . ] + qua par U

IV - 3 - UTILISATION CU C^Q? AU NIVEAU CARDIAQUE POUR LE DIAGNOSTIC ET LA QUWTIF1CA-

T10N CES SHUNTS GAUO6-M01TE

iv-H - unacBucuai Comparatlvaatnt aux mtthodts classiques de diagnostic des shunts gauche-

droite (oxlmttrlt t t Injection dt produits opaques), la méthode utilisant le C 1 5 0 2 est d'unt sentiblllté toute particulière [68-69]. Elit offre 1'avantage d'être atraumatlque t t tris simple. El i t permet dt détecter t t dt mesurer les shunts gauche-droite, d'évaluer la fraction d'éjection du ventricule gauche t t d'estimer l'Importance des régurgitations [70].

lv-ï-2 - saowLLietoiwaàL I l s'agit dt faire respirer I t gaz radioactif au patient de façon 1 réaliser

le marquage dt l'eau circulante "1n vivo". En effet une fois la barrière alvéolaire passée, le C 1 S 0 2 va donner Htu a la réaction : C 1 S 0 2 + iy> î H 2C

1 S0 3 S C02 • H 2

1 5 0. Ctt échange va être très rapide grlce 1 la catalyst de l'enzyme anhydrase carbonique.

Adossé i un ensemble dt 6 sondes disposées en regard du champ pulmonaire et comptant tous les Y Incidents, I t patient inhale une bouffée de 2 à 4 «CI de C 1 5 0 2

contenu dans S ml de gaz porteur. Une sonde cardiaque tst positionnée selon une Incidence antéro-postérleure

légèrement modifiée (15 I 20*).

Ces sondes, pulmonaires et cardiaques, reliées i un mini-calculateur (IN 90) donnent chacune les courbes dt "clearance'' du volume visé.

IV-3-3 - KÊSHTATS ET INTFBPtÉTATtOM

Chez un sujet normal, 1* lavage ou "clearance" pulmonaire suit une loi monoexponentielle. Au niveau cardiaque, on observe alors des fluctuations d'activité ven-triculaire gauche de grande amplitude (fraction d'éjection FE : 60 S). On rappelle

que FE - Volume max. - Volume min. volume max.

-129-

La figura n* *4 donna las courbas pulmonaires et cardiaques. Las courbas da "clearance11 pulaonalras régionales sont en rapport direct avec le dibit sanguin et permettent ainsi sa masure.

L'analyse de la courbe ventHculaire gauche permet la détermination de la fraction d'éjection sur la bue des fluctuations d'activité liées i chaque cycle dlastolo-systolIque.

La comparaison de ces fluctuations et de la 'clearance* globale du ventricule gauche permet d'apprécier l'Importance d'une régurgitation.

Chez un sujet dont le cœur présente un "shunt" gauche-droite, les courbes de'cleerante" subissent des modifications caractéristiques. En effet, une fraction du sang renfermant Veau active, au lieu d'aller, du ventricule gauche vers le reste de l'organisa»!, revient par le "shunt" vers le ventricule droit et da U vers les poumons. La figurt n*3S donne les courbes spécifiques de ce genre de dynamique. L'Importance du "shunt* est mesurée par la fraction de sang (activité) recirculant vers le poumon par ce biais. Cette masure se fait é partir de la courbe de "clearance" pulmonaire, tracée sur papier semi-logarithmique et utilisant la méthode décrite par Tamer et al. [71]. La figure n* 36en décrit le principe qui est le suivant : la courbe avant l'apparition du premier pic de recirculation est parfaitement linéaire et peut être extrapolée au-dessous de ce pic. Les hauteurs H, (représentant le pic d'Inhalation) et Hz (celle comprise entre la droite extrapolée et le premier pic de recirculation) sont mesurées. La fraction shuntée est alors donnée par :

F * ir • e * tr * i , n

Une relation lie cette fraction au rapport des débits pulmonaires et systémiques :

£•1/(1-0

Ce genre d'étude est mené sur le patient pour diagnostiquer un shunt et justifier une Intervention chirurgicale. Après intervention, la même etude est menée et permet ainsi de suivre la normalisation de l'état du patient.

Le coefficient de corrélation d'une telle méthode de quantification de shunt avec la méthode par oxymétrie est de 0,83.

1 Vi 8K NCi / SGi 2 7 TE:

FIGURE NO SUJET NORMAL

i r 1 1 r-O CNL SP 51Z /1024 500

J

n Y: 8K

FIGURE NO

NC: / SG: 5 7 TE:

SHUNT CARDIAQUE GAUCHE-DROITE

•fc

\

'% > M -

V^'^-v^A^,

CNL SP 512 /1024 500

J

r ~i -123-

Fig. 36 - Courb* d* "clearance,,pulmonaire dans J* cas d'un shunt gauch*- droit* tracte sur papier semi- logarithmique

.Pic d'inhalation

L !

'£

<

. 1*"r «circulation

• •

Fraction shunt»* « fyH,. 2,72

I _ Sec r

C H A P I T R E V

GOrOJUSKN

Ct travail a porte sur deux aspects complémentaires at s'inscrit dans I t cadra du programma global da la rachtrche menée au Cmtrt da Rachtrcha du Cyclotron da l'Université de Lliga «t dans las perspectives d'un développement comparable 1 l ' Institut das Sciences Nucléaires da Grtnobla. Ct fut un travail très enrichissant, divtrslflé, réalisé dans un contexte d'échanges antra d u équipas p1urid1sclpl1na1ras (aussi M m locales qu'Internationales) faisant appel 1 différentes formations tn sciences fondaMntalts t t an biologie. Las dtux aspects sont :

* aspect physlco-chtalque : production das radioéléments " aspect InstrjMHltn ' : detection t t Interprétation

1*) Maîtrise des procèdes de production

Les procédés de production dt radioéléments par I t bombardement de cibles gazeuses au moyen de particules chargées, accélérées ont été étudiés en vue de la production de Cartone-11. d'Azoto-13, d'Oxygéne-15 t t dt leurs dérivés t Intérêt biomédical. En particulier, le travail a porté sur les conditions d'optimisation da cette préparation et sur les contrôles nécessaires * l'utilisation Médicale de cas substances.

I l a parais l'Installation d'un dispositif dt production da cas radioisotopes, 1 l ' Institut das Sciences Nucléaires da l'Université de Srenobl* et l'élaboration da nouvelles Molécules Marquées au Centra dt Recherche du Cyclotron de l'Université de Liège, ainsi que leur application * das fins Médicales : 1 3 N H J , 1 3 H 2 0 .

2*) Etude des appareils da détection ; quantification ct interprétation des Mesures.

L'emploi des Indicateurs radioactifs dans le domine biomédical permet de faire des diagnostics précis, sensibles et de développer des méthodes nouvelles et

<26-

atraumstiques pour étudier "In vivo", chez l'hoemt, de nombreux paramètres physiologiques Jusque-U Inaccessibles. Ces potentlelUfc sont directement llies aux propriétés de ces Isotopes, déjl longuement exposées. Nous reviendrons sur l'une d'entre elles qui est l'émission de positrons dont la ditectlon fournit l'Information dans let applications midlcales. Apres administration d'un tel Indicateur, son activité régionale dans l'organisme peut i t re mesurée par divers systèmes de ditectlon :

- par simple ditectlon des photo» gaaaa. par sondes individuelles - par ditectlon des photons gamma en coïncidence, par sondes sans reconstruc

tion d'Image ou par tomographic avec reconstruction d'Images.

Ce travail montât l'emploi des appareils de ditectlon et l'utilisation des traceurs. 11 donne dit résultats quantitatifs et fournit quelques Interprétations. Ainsi, le protoxyde d'azote (13H^0) Inhalé par l'homme a permis, pour la premier* fols, qrtce I la tcmographle transaxiale car. émission, de montrer que sa concentration et sa dynamique varient selon la région où i l est prisent, contrairement é 1'idée de diffusion homogène, jusque 11 admise.

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