Dosimetric characterization and evaluation of radiation-induced lesions after irradiation on interventional radiology condition
Caractérisation dosimétrique et évaluation des lésions radio-induites après irradiation dans les conditions de la radiologie interventionnelle
Résumé
At the end of the 19th century, following the discovery of X-rays by Wilhelm Röntgen, the use of ionizing radiation developed in various fields, particularly in medicine. Indeed, the appearance of interventional radiology in 1953 revolutionized patient treatment. This technique, guided by low-energy X-ray imaging (70 to 120 kV), is used for the diagnosis and treatment of various pathologies. Over the past 60 years, it has become an indispensable tool, covering more than 600 types of procedures, notably in cardiology and neurology. In France, more than 600,000 procedures are performed every year, and this number is constantly rising. Although this technique, which is less invasive than conventional surgery, is an undeniable asset for the patient and is largely under control, accidental overexposures can occur. Such accidents are rare but can lead to deterministic effects, ranging from erythema to necrosis when doses higher than 10 Gy are delivered locally to the tissue. Although the side effects most often observed with overexposure are cutaneous, the specificity of low-energy X-rays, where dose deposition is highly dependent on the composition and density of the tissue traversed, can lead to strong dose gradients. Thus, doses in dense media (bone) or adjacent to dense media can be much higher than the cutaneous dose. The lack of knowledge about the consequences and radiobiological effects of this type of exposure (low energy), where the heterogeneity of dose deposition can be significant, makes patient prognosis uncertain. This project aimed to is to contribute to the development of a new preclinical irradiation model capable of reproducing accidental overexposures in interventional radiology, to better understand the radiobiological consequences and specificities of this type of exposure through dosimetric and radiopathological characterization. To achieve this, a new model of localized low-energy (80 kV) irradiation of the paw in mice was set up on the SARRP with 5 exposure protocols (single dose: 15, 30, and 45 Gy or repeated: 2 and 3x15 Gy with 1-week intervals) and 6 post-irradiation euthanasia time points (D0 to D84). Dosimetric measurements by Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy on the bone at D0 and simulations highlight the high heterogeneity of dose deposition and the strong dependence on low-energy material composition. EPR measurements on the bone over time, carried out for the very first time on a preclinical in vivo model, show a loss of signal probably due to bone turnover. In the context of retrospective dosimetry following a radiological accident, dose underestimation is possible if the sample is taken several months after irradiation. Macroscopic assessment of radiation-induced lesions, using lesion scoring, weighing, and Doppler laser images to characterize blood flow, enabled us to classify irradiation protocols. Histological and microCT analyses of bone and muscle tissues showed a change in the density of irradiated muscles and a loss of trabecular bone volume at late stages. In conclusion, in this work, the new model of localized irradiation using low-energy X-rays was characterized dosimetrically and radiopathologically. It has enabled us to highlight the specific features of this type of exposure, improve our knowledge of the consequences of such exposures, and improve the prediction of the risk of complications linked to exposures in interventional radiology.
À la fin du XIXème siècle, suite à la découverte des rayons-X par Wilhelm Röntgen, l'utilisation des rayonnements ionisants se développe dans différents domaines notamment dans le domaine médical. En effet, l'apparition de la radiologie interventionnelle en 1953 révolutionne le traitement des patients. Cette technique, guidée par une imagerie de rayons-X de basse énergie (70 à 120 kV), est utilisée aussi bien pour le diagnostic que le traitement de diverses pathologies. En 60 ans, elle est devenue incontournable, regroupant plus de 600 types d'actes notamment en cardiologie ou neurologie. En France, on compte plus de 600 000 actes par an et ce nombre est en constante augmentation. Bien que cette technique, moins invasive que de la chirurgie classique, soit un atout indéniable pour le patient et majoritairement maitrisée, des surexpositions accidentelles peuvent se produire. Ces accidents restent rares mais peuvent entrainer l'apparition d'effets déterministes, allant de l'érythème à la nécrose lorsque des doses supérieures à 10 Gy sont délivrées localement aux tissus. Même si les effets secondaires les plus souvent observés lors de ces surexpositions sont cutanés, la spécificité des rayons-X de basse énergie où le dépôt de dose dépend beaucoup de la composition et de la densité du tissu traversé, peut conduire à de forts gradients de dose. Ainsi, les doses dans des milieux denses (os) ou adjacents aux milieux denses peuvent être beaucoup plus élevées que la dose cutanée. Le manque de connaissances sur les conséquences et les effets radiobiologiques de ce type d'exposition (basse énergie) où l'hétérogénéité du dépôt de dose peut être importante, rend le pronostic du patient incertain. L'objectif de ce projet est de contribuer au développement d'un nouveau modèle d'irradiation préclinique capable de reproduire des surexpositions accidentelles en radiologie interventionnelle, afin de mieux comprendre les conséquences radiobiologiques et les spécificités de ce type d'exposition à travers une caractérisation dosimétrique et radiopathologique. Pour cela, un nouveau modèle d'irradiation localisée de la patte chez la souris à basse énergie (80 kV) a été mis en place sur le SARRP avec 5 protocoles d'exposition (dose unique : 15, 30 et 45 Gy ou répétée : 2 et 3x15 Gy avec 1 semaine d'intervalle) et 6 temps d'euthanasie post-irradiation (J0 à J84). Les mesures dosimétriques par spectroscopie par Résonance Paramagnétique Electronique (RPE) sur l'os, à J0 et les simulations mettent en évidence la forte hétérogénéité du dépôt de dose et la forte dépendance de la composition des matériaux à basse énergie. Les mesures RPE sur l'os au cours du temps, réalisées pour la toute première fois sur un modèle préclinique in vivo, montrent une perte de signal probablement dû au renouvèlement osseux. Dans un contexte de dosimétrie rétrospective lors d'un accident radiologique, une sous-estimation de la dose est possible si le prélèvement est réalisé plusieurs mois après l'irradiation. L'évaluation macroscopique des lésions radio-induites, via du scoring lésionnel, des pesées et des mesures au laser Doppler caractérisant le flux sanguin a permis de classer les protocoles d'irradiation. Des analyses histologiques et microCT sur les tissus osseux et musculaires ont montré une modification de la densité des muscles irradiés et une perte du volume d'os trabéculaire aux temps tardifs. Pour conclure, dans ce travail, le nouveau modèle d'irradiation localisé, utilisant des rayons-X de basse énergie a été caractérisé dosimétriquement et radiopathologiquement. Il a permis de mettre en évidence les spécificités de ce type d'exposition, améliorer les connaissances sur les conséquences de ces expositions et améliorer la prédiction du risque des complications liées aux expositions en radiologie interventionnelle.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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