23 Août 1998 – Harold Johns physicien Canadien

La machine Cobalt-60 dans la lutte contre le cancerHarold Johns est connu pour la conception d’appareils de radiothérapie au cobalt qui révolutionneront le traitement du cancer à travers le mondeHarold Johns (1915-1998) était peut-être le physicien médical le plus influent de l’histoire du Canada. Il est né dans l’ouest de la Chine où ses parents étaient des missionnaires éducateurs. Après le retour de la famille au Canada au milieu des années 1920, Harold a obtenu une maîtrise en physique de l’Université McMaster et un doctorat de l’Université de Toronto. Il a d’abord travaillé à l’Université de l’Alberta à Edmonton, puis à l’Université de la Saskatchewan à Saskatoon, où il s’est intéressé au traitement du cancer. Il a obtenu un bêtatron pour le traitement du cancer, puis a commencé la conception et la construction de l’une des premières unités de téléthérapie au cobalt 60. Grâce à son travail de pionnier, la téléthérapie au cobalt 60 est devenue la référence en matière de radiothérapie pendant de nombreuses années et des milliers d’unités ont été installées dans le monde entier, aidant d’innombrables patients. Le travail que lui et ses étudiants ont effectué sur la physique des faisceaux de photons à haute énergie était fondamental et constitue toujours la base de la plupart des systèmes de planification de traitement utilisés aujourd’hui. En 1953, il publia la première édition de «The Physics of Radiology» qui devint le principal manuel dans son domaine pendant plusieurs décennies.En 1956, le Dr Johns est devenu chef de la division de physique de l’Ontario Cancer Institute et professeur de biophysique médicale à l’Université de Toronto. Pendant plusieurs années, il a étudié les processus chimiques qui conduisent aux dommages causés par les radiations, et finalement, dans les années 1970, il s’est tourné vers l’imagerie par rayons X. Tous ses travaux visaient à améliorer le diagnostic et le traitement du cancer. Harold Johns a formé au moins 100 étudiants diplômés tout au long de sa carrière. Il a appris à tous ses élèves à faire de la science de la plus haute qualité grâce à son enthousiasme, sa remise en question constante des hypothèses, sa rigueur scientifique et son intégrité. Les étudiants du Dr Johns et les étudiants de ses étudiants sont devenus des chefs de file dans le domaine de la physique médicale au Canada et ailleurs.

La technologie révolutionnaire au cobalt 60Le cancer est une maladie potentiellement mortelle caractérisée par le développement de tumeurs malignes dans diverses parties du corps. Ravichandran (2009) révèle que cette maladie est la première cause de mortalité dans le monde. Elle entraîne des souffrances chez le patient et, si elle n’est pas traitée, entraîne la mort. Les scientifiques et les médecins ont donc cherché à trouver des méthodes efficaces pour traiter cette maladie mortelle. L’invention de la machine Cobalt-60 en 1951 a marqué une étape importante dans la lutte contre le cancer. Cet appareil a fourni aux médecins les moyens de traiter les tumeurs cancéreuses profondes sans blesser la peau du patient. La machine a été saluée comme une avancée majeure dans la radiothérapie de tous les cancers et elle a bénéficié à des millions de patients atteints de cancer dans le monde depuis son invention. Cet article vise à fournir une discussion informative sur la machine Cobalt-60. Il commencera par donner son histoire, les concepts et les théories utilisées par cette invention. Les avantages et les inconvénients les plus importants de la machine Cobalt-60 seront également articulés.Histoire de la machine Cobalt-60

La grande révolution dans le diagnostic et le traitement du cancer trouve ses racines dans la découverte des rayons X par Roentgen en 1895. Les deux autres découvertes importantes sur le même sujet sont la radioactivité naturelle de Becquerel et le Radium-226 de Marie Curie en 1896 et 1898 respectivement (Moule 1993). Ces trois découvertes révolutionnaires ont conduit à la création de la radiothérapie, qui utilisait le pouvoir destructeur des rayons X pour détruire les cellules cancéreuses. Depuis la découverte des rayons X et de l’effet des rayonnements ionisants sur les cellules, les scientifiques se sont efforcés de développer des technologies capables de produire des énergies et des intensités de photons encore plus élevées. Mold (1993) déclare que les sources de cobalt 60 ont présenté une grande amélioration par rapport à la téléthérapie au radium largement utilisée entre 1919 et 1950.                Les scientifiques ont pu réaliser l’objectif de créer une machine de thérapie compacte et méga voltage avec l’invention de la machine au cobalt-60. Le physicien canadien Harold E. Johns a développé la machine au cobalt 60 en 1950 (Podgorsak 2010). Contrairement aux tubes à rayons X et aux générateurs de van de Graaff, qui ne convenaient pas au montage iso centrique en raison de leur encombrement et de leur poids élevé, la machine au cobalt-60 était une unité compacte de poids modéré. Le Nuclear and Radiation Studies Board (2008) reconnaît que la machine de téléthérapie au cobalt-60 était la première machine de thérapie à méga voltage vraiment pratique. Cette machine a présenté la première méthode d’administration clinique de la radiothérapie pour le traitement d’un large éventail de cancers. Les machines au cobalt-60 avaient une pénétration accrue et les dommages à la peau étaient minimes, ce qui les rend idéales pour la thérapie.

Théorie de fonctionnement  Le fonctionnement des machines au cobalt 60 est basé sur les propriétés des rayons gamma. Les rayons gamma (symboliquement désignés par γ) sont des rayonnements électromagnétiques à haute fréquence émis lors de la fission nucléaire et de la désintégration radioactive (Podgorsak 2010). Pour produire ces rayons pour la radiothérapie, un radionucléide produit artificiellement est placé dans une source spécialement conçue. Dans cette source, le matériau source parent radioactif subit une désintégration et au cours de ce processus, il produit des noyaux filles excités qui se stabilisent en émettant des rayons gamma. Le fonctionnement des machines au cobalt 60 repose sur certaines propriétés inhérentes aux rayons gamma.Il existe de nombreux radionucléides qui produisent des rayons γ au cours de leur processus de désintégration. Cependant, pour que ces éléments soient utiles pour la radiothérapie externe, ils doivent remplir certaines conditions. Pour commencer, les radionucléides doivent avoir une énergie de rayons γ élevée, supérieure à 1 MeV. Ils doivent également posséder une activité spécifique supérieure à 100Ci/g. Podgorsak (2010) indique qu’en plus de cela, les radionucléides devraient avoir une demi-vie relativement longue et une grande constante de taux de kerma dans l’air spécifique. Les exigences strictes auxquelles les radionucléides doivent répondre excluent la plupart des radionucléides disponibles d’être des candidats possibles pour la radiothérapie externe. Page (2014) documente que sur plus de 3000 radionucléides découverts par les scientifiques au cours du siècle dernier, seuls trois possèdent les caractéristiques importantes nécessaires à l’utilisation de la radiothérapie. Parmi ces trois radionucléides candidats, seul le cobalt 60 a été exploité pour être utilisé dans les unités de radiothérapie.Les rayonnements ionisants endommagent l’ADN contenu dans la cellule, inhibant ainsi la capacité de la cellule à se diviser. Avec la capacité de proliférer détruite, les cellules meurent. Le rayonnement focalisé introduit par la machine est nocif pour les cellules de la zone cible et de son environnement. Cependant, les scientifiques émettent l’hypothèse que les cellules saines sont plus tolérantes aux radiations que les cellules malades (Podgorsak 2010). Alors que les cellules cancéreuses sont endommagées et détruites par les radiations, les cellules saines sont endommagées mais elles ne sont pas détruites et au fil du temps, leur santé est restaurée. Ravichandran (2009) note que 60 % des patients atteints de cancer ont besoin de radiothérapie pour traiter la maladie.

Notions                                             La machine au cobalt-80 est appelée machine de téléthérapie car elle utilise des sources de rayons gamma pour produire son faisceau. Ces machines sont des unités de rayonnement externes car la source de rayonnement est maintenue à l’extérieur du corps et un faisceau contenant une dose de rayonnement ionisant est dirigé vers le site cancéreux pour endommager le matériel génétique dans les cellules du tissu cible, tuant ainsi les cellules cancéreuses (Podgorsak 2010). Un composant important de la machine est la source, qui consiste en des pastilles de cobalt 60 à haute activité contenues dans une capsule cylindrique spécialement construite. Ravichandran précise que « le diamètre de la source cylindrique de téléthérapie est compris entre 10 et 20 mm tandis que la hauteur du cylindre est d’environ 25 mm » (p.63). Le diamètre détermine la netteté du bord du faisceau pendant le traitement.Un élément clé de la machine de téléthérapie est la tête de source, qui est un conteneur enfermé dans un blindage protecteur pour contenir le rayonnement émanant des radionucléides de cobalt-60. La tête de la source contient un mécanisme pour déplacer la source devant l’assemblage du collimateur qui détermine la taille et l’orientation du faisceau de rayonnement (Page 2014). La source de rayons gamma est montée sur une machine au cobalt 60 de manière isocentrique, ce qui permet de déplacer la tête de la source autour du patient afin d’accéder à la zone cible. La distance source-axe des machines Cobalt-60 modernes est de 80 cm ou 100 cm.Étant donné que la source émet toujours un rayonnement, la machine doit disposer d’un mécanisme pour la déplacer entre les positions ON et OFF. La machine au cobalt 60 peut utiliser à cette fin soit le tiroir coulissant, soit la technique du cylindre rotatif. Un mécanisme de sécurité intégrée est intégré dans les deux méthodes pour garantir que la source se déplace vers une position OFF par défaut en cas de panne mécanique ou technique de la machine. Un autre composant important de l’unité de cobalt-60 est le portique qui est l’unité tenant la tête de la source. Il est monté sur le boîtier de base de la machine et peut tourner autour du patient autour d’un axe horizontal (Page 2014). Cette caractéristique permet de rapprocher la source de la zone cible, augmentant ainsi le débit de dose.Application 

Les machines au cobalt 60 sont principalement utilisées pour la radiothérapie grâce à l’utilisation de rayons gamma. Le rayonnement est nocif pour toutes les cellules humaines et il ne serait pas souhaitable d’exposer tout le corps à de fortes doses de rayonnement (Van Dyk & Battista 1996). La machine au cobalt-60 fournit un moyen de délivrer des quantités souhaitables de rayonnement à des zones spécifiques du corps tout en limitant au minimum l’exposition aux zones adjacentes. Les grandes quantités d’énergie contenues dans les rayons gamma décomposent les liaisons chimiques des cellules cancéreuses en les tuant efficacement (Van Dyk & Battista 1996). La machine au cobalt-60 peut être utilisée pour soigner un large éventail de cancers, notamment les cancers de la peau, du larynx, du poumon, du sein, du cerveau et de la prostate.Avantages des machines Cobalt-60 

Un avantage significatif des machines au cobalt 60 est qu’elles ont des coûts d’investissement, d’installation et de maintenance considérablement inférieurs à ceux des technologies de radiothérapie plus avancées. Comparé aux accélérateurs linéaires plus avancés (LINAC), le cobalt-60 s’avère extrêmement rentable. Le Nuclear and Radiation Studies Board (2008) révèle que si une seule machine LINAC isocentrique à basse énergie a un coût en capital de 2 250 000 $, une seule machine isocentrique au cobalt 60 ne coûte que 750 000 $. Dans le même temps, les dépenses d’exploitation de la machine au cobalt 60 sont de 50 000 par an contre 150 000 $ pour la machine LINAC. Cette différenciation des coûts est confirmée par Ravichandran (2009) qui observe que les coûts de fonctionnement d’une unité de cobalt ne sont que de 33 % de ceux d’un LINAC basse énergie et de 20 % de ceux d’un LINAC haute énergie. La rentabilité et la fiabilité du cobalt 60 en ont fait la technologie la plus répandue dans les pays en développement. Ces appareils permettent aux instituts de radiothérapie d’offrir un traitement efficace à un coût relativement moindre.Un autre avantage majeur des machines au cobalt 60 est qu’elles utilisent un matériau source d’origine avec une demi-vie relativement longue. Alors qu’une variété de radio-isotopes peuvent être utilisés dans la machine, le plus couramment utilisé est le cobalt-60, qui est un isotope radioactif synthétique du cobalt (Van Dyk & Battista 1996). Cet isotope a une demi-vie considérablement étendue de 5 ans, ce qui élimine la nécessité d’un remplacement fréquent et coûteux de la source lorsqu’il est utilisé. Page (2014) note que la source peut toujours être utilisée pour traiter efficacement le cancer une fois la demi-vie écoulée. Cependant, il convient de noter que l’utilisation après 5 ans entraîne une diminution de l’efficacité car le patient doit passer plus de temps pour atteindre la dose requise.Un autre avantage clé des machines au cobalt-60 est qu’elles sont fiables et robustes par nature. Les machines sont capables de générer des faisceaux de rayonnement fiables et constants même lorsque l’alimentation électrique est inadéquate ou instable. Ravichandran (2009) déclare que les machines au cobalt 60 présentent un avantage évident en ce sens qu’elles consomment moins d’énergie et peuvent atteindre la stabilité du faisceau même dans des conditions d’alimentation électrique fluctuantes. De plus, les systèmes électroniques d’une machine au cobalt 60 sont capables de résister à une alimentation instable. Podgorsak (2010) confirme que la haute fiabilité des unités au cobalt 60 en a fait un favori dans les pays en développement où les alimentations électriques inadéquates ou peu fiables sont typiques.

La machine au cobalt-60 est une machine simple dotée de commandes assez basiques, ce qui la rend très conviviale. En raison du manque de sophistication, le personnel ayant une formation de base est capable d’utiliser efficacement cette machine avec des résultats positifs (Page 2014). Les machines Cobalt-60 permettent un calcul facile de la dose, ce qui améliore la précision de l’administration de la dose. Ces machines utilisent du cobalt 60 qui produit des rayons gamma. Le faisceau gamma produit est de nature presque mono-énergétique, ce qui conduit à l’uniformité. Van Dyk et Battista (1996) notent que « le faisceau primaire est uniformément atténué par des absorbeurs tels que des coins » (p.11). Le personnel hospitalier ayant peu d’expérience technique est donc en mesure d’utiliser correctement ces machines.

Désavantages

Une faiblesse majeure des machines au cobalt 60 est que leur faisceau de rayonnement n’a pas la netteté souhaitable. La capacité de cibler une petite zone pour l’administration de la dose sans affecter les tissus environnants est donc diminuée lorsque ces machines sont utilisées. Van Dyk et Battista (1996) reconnaissent que la probabilité que les cellules saines entourant la zone cible soient endommagées est augmentée lorsque des machines au cobalt-60 sont utilisées. Les accélérateurs linéaires permettent un traitement plus localisé de la tumeur grâce à leurs rayons X focalisés et profondément pénétrants. En raison de la concentration élevée, les machines LINAC entraînent moins d’effets secondaires dans les tissus normaux voisins. Page (2014) déclare que la machine au cobalt-80 est tombée en disgrâce auprès de nombreux prestataires de soins de santé dans le monde développé en raison des performances supérieures des machines LINAC.

La nature radioactive de la source de cobalt 60 utilisée pour produire les rayons gamma présente un défi. Le Conseil des études nucléaires et radiologiques (2008) avertit que toutes les sources radioactives présentent des risques importants pour l’environnement à la fois pendant leur utilisation et lors du processus d’élimination. Les machines au cobalt 60 présentent des problèmes majeurs de radioprotection en raison de la désintégration radioactive constante qui se produit à la source. Podgorsak (2010) explique que la source d’une machine au cobalt 60 émet toujours des rayons gamma. Il n’est pas possible de mettre l’appareil à l’état « éteint » à volonté et un flux continu de rayons gamma émanera de la machine à tout moment. Cela augmente le risque de rayonnement de fuite de la tête de la source et s’il n’est pas correctement isolé, ce rayonnement sera dispersé dans la zone environnante. Page (2014) révèle que contrairement aux LINAC, la machine au cobalt produit toujours des rayonnements même lorsqu’elle n’est pas en fonctionnement. Cela rend très élevé le potentiel de dommages causés par la source au personnel qui utilise la machine et aux personnes dans les zones environnantes.

Un autre inconvénient des unités de cobalt 60 est qu’elles nécessitent plus de temps pour mettre en œuvre un seul traitement. Cette augmentation du temps de traitement se produit en raison de la production réduite de l’unité de cobalt à mesure que la source se désintègre. Selon Van Dyk et Battista (1996), le débit de dose en unités de cobalt décroît au rythme de 1 % par mois à partir d’un maximum initial de 13 kCuries. Le débit de dose initial produit par la machine au cobalt-60 est de 400cGy/min et ce débit diminue à 200cGy/min avec le temps. Le temps de traitement est donc multiplié par deux, ce qui entraîne une baisse du débit patient. L’augmentation du temps de traitement signifie qu’une seule machine au cobalt 60 ne peut pas servir le nombre optimal de patients chaque jour. Il s’agit d’un défi majeur, en particulier dans les pays en développement où la demande de radiothérapie dépasse de loin la machine de thérapie à mégavoltage disponible. De nombreux patients se voient donc refuser un traitement en raison de la réduction du débit de patients causée par les machines lentes au cobalt 60 (Van Dyk & Battista 1996). Les unités LINAC modernes qui ont remplacé les machines au cobalt 60 dans la plupart des pays développés garantissent un débit de dose constant au patient assurant un traitement rapide.

Un inconvénient important des machines au cobalt 60 est qu’elles nécessitent des coûts élevés pour remplacer la source de cobalt 60 une fois qu’elle est épuisée. Bien que la source ait une longue demi-vie, la désintégration finit par diminuer et nécessite un remplacement. L’installation doit obtenir le matériau source auprès du fabricant de la machine. Podgorsak (2010) révèle que le coût des radionucléides cobalt-60 a augmenté en raison d’une offre réduite. En plus de cela, la plupart des fabricants se tournent vers la production de machines LINAC. L’élimination des sources usées et l’acquisition de nouvelles deviennent donc une dépense majeure.

Limites  – Une limitation majeure des machines au cobalt 60 est que le produit du bord du faisceau n’est pas net en raison de la grande pénombre de la machine. Van Dyk et Battista (1996) expliquent que cette limitation est due à la géométrie de la source et à la distance entre la tête de la source et le patient. Les machines LINAC ne souffrent pas de cette limitation puisque la netteté du bord du faisceau est largement indépendante de la géométrie de la source et de la distance entre la source et le patient.  Une autre limitation importante réside dans l’énergie maximale du faisceau qui peut être produite par les unités de cobalt. Les radio-isotopes du cobalt 60 émettent des rayons gamma de haute énergie dans la gamme de 1,17 et 1,33 MeV. Podgorsak (2010) confirme que l’énergie des photons émis ne peut pas être augmentée au-delà de cette plage. Ceci en dépit du fait que des faisceaux d’énergie plus élevée offrent plus d’avantages au patient. Van Dyk et Battista (1996) reconnaissent qu’une augmentation de l’énergie du faisceau offre de nombreux avantages aux efforts de traitement. En raison de la production d’énergie inférieure à celle des LINAC, les machines au cobalt 60 ont une efficacité moindre dans le traitement des tumeurs cancéreuses profondes, car elles ne peuvent pas délivrer la dose de rayonnement maximale à des profondeurs accrues.

Enfin, les appareils au cobalt 60 souffrent d’une distance relativement faible entre la mise au point et la peau. Pour que des doses adéquates soient délivrées à la zone cible, la distance est généralement de 80 cm (Mould 1993). Les médecins sont parfois obligés de réduire cette distance jusqu’à 60 cm afin d’augmenter la pénétration de la dose. Cela augmente le risque d’endommagement de la peau du patient. Contrairement à cela, les machines LINAC ont une distance entre le foyer et la peau de plus de 100 cm, ce qui les rend plus sûres pour le patient.

Conclusion 

Guérir le cancer est un objectif majeur de nombreux hôpitaux et actuellement, la radiothérapie est la méthode la plus rentable pour y parvenir. Cet article a pour but de discuter des machines au cobalt 60, qui sont l’une des technologies de radiothérapie utilisées pour traiter le cancer. Il décrivait l’histoire de la machine et fournissait une base théorique pour le fonctionnement de la machine de téléthérapie. Le document a ensuite mis en évidence les mérites et les inconvénients inhérents à la machine au cobalt-60. Les principaux avantages comprennent les faibles coûts d’investissement, la longue demi-vie du matériau source, la robustesse et la facilité d’utilisation. L’article a reconnu que les machines au cobalt 60 souffrent des limitations des énergies inférieures, des débits de dose réduits et des pénombres plus importantes. En raison de ces revers, cette machine n’est pas largement utilisée dans le monde développé où les LINAC sont les machines recommandées pour la radiothérapie. Malgré les avantages technologiques et pratiques évidents que les accélérateurs linéaires détiennent par rapport aux machines au cobalt 60, ces unités continuent de jouer un rôle crucial dans la prestation de services de radiothérapie. On peut donc conclure que les avantages significatifs offerts par les machines au cobalt 60 garantiront que cette technologie reste active, en particulier dans les pays en développement où les contraintes de ressources sont omniprésentes.

Cobalt-60

En 1951, le physicien médical de l’Université de la Saskatchewan, le Dr Harold Johns, et ses étudiants diplômés sont devenus les premiers chercheurs au monde à traiter avec succès un patient atteint d’un cancer au moyen de la radiothérapie au cobalt-60. Cette technologie innovante, surnommée la « bombe au cobalt » par les médias, a révolutionné le traitement du cancer et sauvé la vie de millions de patients atteints de cancer dans le monde.

https://studycorgi.com/the-cobalt-60-machine-in-the-fight-against-cancer/

https://radonc.utoronto.ca/harold-johns

https://cobalt60.usask.ca/