effets biologiques des rayonnements non-ionisants · effets biologiques des rayonnements...

__ Faculté de Médecine de LILLE _____________________ Effets biologiques des rayonnements __

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EFFETS BIOLOGIQUES DES RAYONNEMENTS NON-IONISANTS

I L’ultravioletII Le visibleIII L’infrarougeIV Les micro-ondesV Les ondes hertziennes

Contrairement aux rayonnement ionisants, l’énergie des rayonnements non ionisants est,par définition, insuffisante pour troubler l’édifice électronique d’un atome.

Par contre, la structure moléculaire de la matière peut être perturbée, par exemple lors dela création de dimères ou de polymères de bases puriques, altérant tout aussi profondément lastructure de l’ADN que lors de la cassure de la double chaîne.

Le schéma ci-dessous rappelle de domaine énergétique et les longueurs d’ondes desrayonnements électromagnétiques non ionisants.

12,4 eV 3,1 eV 1,6 eV 10 eV- 3

1 mm

10 eV- 6

10 eV- 9

100 nm 400 nm800 nm

UV visible IR µ ondes hertzien

1 m 1 km

I L’ULTRAVIOLET

Bien que non perceptible par les organes des sens humains, il s’agit d’un rayonnementd’importance biologique majeure. Dans le spectre électromagnétique, le rayonnement ultravioletse situe entre les rayons X mous et le rayonnement visible, ses propriétés physiologiques sontassez hétérogènes.

I - 1 ) Physique du rayonnement ultraviolet

De manière assez arbitraire, on définit la plage énergétique du rayonnement UV commecelle comprise entre 12,4 et 3,1 eV. Cette énergie est insuffisante pour produire un effetphotoélectrique sur un atome d’hydrogène dans son état fondamental par exemple.

Selon la relation de DUHANE et HUNT (cf. p.6 Imagerie médicale), les longueursd’ondes associées vont de 100 à 400 nm.


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Classification

En fonction des propriétés physique et des modes de production, ou en fonction despropriété biologiques, il existe plusieurs classifications des rayonnements UV.

- UV à vide, lointains et proches, classification physique- UV A, B et C, classification plus biologique

100 nm 190 nm 400 nm300 nm

UV à vide UV procheUV lointain

L’UV à vide, absorbépar l’air présente peud’effets biologiques, saufpour les sources intenses

100 nm 280 nm 400 nm315 nm

UV - AUV - C UV - B

Les UV - A, sontdétectés par fluorescence.Ils sont responsables de lapigmentation cutanée

Les UV - B provoquentl’érythème cutané

Les UV - C sontgermicides

I - 2 ) Sources artificielles de rayonnements ultraviolets

Toute substance portée à plus de 2500 °K est émettrice de rayonnements ultraviolets.Cette température est atteinte par des décharges électriques dans un gaz, par incandescence, oupar fluorescence.

Les tubes sont en quartz, le verre étant opaque aux rayons UV, surtout pour les UV - Bet les UV - C.

- Décharges dans un gaz :

Les lampes à vapeur de mercure basse pression (Phg = 1 Pa ) émettent essentiellementvers les longueurs d’ondes de 250 nm, ce sont des lampes germicides (spectre de raies).

Les lampes haute ou très haute pression (Phg ≥ 10 6 Pa ) présentent un spectre d’émissioncontinu et de raies, dans le domaine des UV - A pour l’essentiel.

L’association d’halogénures augmente la proportion du spectre continu.

La soudure à l’arc émet des UV, parfois responsables de pathologies professionnelles(coup d’arc).


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- Sources à incandescence :

Les lampes à halogènes ou au tungstène, émettent des UV par effet thermique pur (faiblerendement).

- Lampes à fluorescence :

Une substance fluorescente recouvrant le tube émet un spectre de raies correspondant àun réarrangement électronique des atomes . Les tubes fluorescents sont qualifiés d’émetteurs delumière noire (lumière de Wood).

I - 3 ) La source naturelle : le soleil

Le soleil est la principale source de rayons UV. La répartition spectrale au sol dépend dela latitude, de l’altitude, de la saison, du moment de la journée et de l’état atmosphérique(hydratation, concentration d’ozone).

100 500 800 1200 1600 2000

corps noir5600 °K

solaire haute athmosphère

solaire niveaude la mer

(nm)

intensité

Hors de l’atmosphère, le rayonnement solaire est équivalent à celui d’un corps noir dontla température absolue est d’environ 5600 °K.

Les valeurs ci-contre expriment enpremière approximation, la distribution dela quantité d’énergie émise par le soleil etreçue par la terre.

(surface sous la courbe)

UV : 10 %visible : 40 %IR : 50 %

La totalité des UV - C sont absorbés dans l’atmosphère et n’existent plus au niveau dela mer, ils ne présentent pas de danger pour l’homme.


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Cette absorption est due à la présence d’ozone en haute atmosphère (la couche d’ozone).On peut supposer qu’en cas de diminution de la quantité d’ozone, la diminution de

l’absorption des UV - C pourrait augmenter les effets photochimiques.De nombreux scénarios catastrophes ont été diffusés par les médias, en général peu ou

non justifiés sur le plan scientifique.Par exemple le rôle des fluorocarbones halogénés, gaz propulsif des aérosols, n’a jamais

été fermement démontré.

La chimie de la haute atmosphère est caractérisée par trois phénomènes majeurs,directement liés à l’absorption des rayonnements.

- dissociation de la molécule d’oxygène par l’absorption d’un photon UVsolaire, d’énergie inférieure à 242 nm ( 190 nm en moyenne)

- formation très rapide d’ozone

- absorption des UV de longueur d’onde inférieure à 300 nm par l’ozonequi limite l’irradiation par les UV - C, potentiellement dangereux.

Les réactions physico-chimiques sont résumées ci-dessous.

Création de radicaux librespar les UV - C à partir del’oxygène de la haute atmosphère.

Longueur d’onde moyennede 190 nm.

O 2 O.

+ O.

νh < 242 nm

Intervention d’un troisièmecomposant, M , (N2 ou O2), pourle transfert de l’énergie dedissociation.

La formation d’ozone estestimée à 4000 tonnes par seconde.

O 2O.

+ O.+ M + M

O 3O.

+ + M + MO 2}

E q u i l i b r e e n t r e l adécomposition spontanée, avec ousans absorption de photonsultraviolets.

En f in de compte ,l’absorption des photons delongueurs d’onde inférieures à 300nm est suffisante pour quepratiquement aucun UV - C neparvienne au niveau de la mer.

O 2 + O

+ O +O 3}O 2O 2

O 3

νh < 300 nm


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I - 4 ) Effets microscopiques des ultraviolets

I - 4 - 1 ) Aspect théorique

L’absorption sélective des rayonnements non-ionisants, c’est à dire la résonance entre unphoton d’énergie déterminée et un niveau énergétique moléculaire, modifie l’état électronique, oualors le niveau énergétique de vibration ou de rotation (cf. p.6).

Δ Ε = Δ Ε élect.. + Δ vibr.. + Δ rot..

Ces modifications physiques sont à la base de la photobiologie.

Les excitations électroniques ont été de nombreuses fois abordées et sont décrites defaçon satisfaisante par le modèle atomique de BOHR.

L’aspect théorique des énergies de vibration et de rotation se résument dans les notionsd’oscillateur harmonique et de quantification du moment cinétique.

Les variations sont décrites sous forme quantifiée :

Δ vibration = − V0 + (n +12) hυ

Δ rotation =

J ( J + 1 ) 2

2 I

V0 est l’énergie de liaison de l’étatfondamental, I est le moment d’inertie dela molécule et surtout, n et J sont deuxnombres entiers caractérisant la naturequantifiée de ces relations.

Les ordres de grandeur des énergies mises en œuvre sont approximativement :Δ Ε élect.. ≈ 1 eVΔ vibr.. ≈ 10 - 1

eVΔ rot.. ≈ 10 -3 eV

I - 4 - 2 ) Aspect moléculaire

Suite à l’absorption d’un photon, une molécule d’intérêt biologique voit son étaténergétique modifié :

Mbio.

νh

Mbio.*

Cette excitation implique unemodification de l’état énergétiquemoléculaire

E M * > E M


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Dans le domaine énergétique de l’ultraviolet (quelques électronvolts), l’effet principal seproduit sur les transitions énergétiques électroniques. Les modifications des états de vibration oude rotation sont de second ordre.

Les modifications chimiques de la molécule remanient ses caractéristiques et propriétésbiochimiques, comme par exemple l’isomérisation cis-trans du rétinal, phase primaire dumécanisme de la vision. Un autre exemple d’isomérisation est celui de la première étape de latransformation de l’ergostérol en vitamine D.

Cependant, la séquence la plus fréquente est celle de la dissociation moléculaire, quiaboutit à la création de radicaux libres. Ce mécanisme, actuellement objet de nombreusesrecherches est fondamental pour le métabolisme cellulaire.

Mbio.

νh

Mbio.* M +

.1 M2

.Les radicaux l ibres créés,

M et.1 M2

.

munis d’un électroncélibataire sont très réactifs.

Les molécules activées reviennent à leur état fondamental

- par dégradation de l’énergie en agitation thermique

- par émission de photons, en général moins énergétiques, c’est lafluorescence classique. Il peut y avoir une résonance, le photon émis ayant le même niveaud’énergie que le photon absorbé

- par transfert énergétique à d’autres molécules, suivi d’un échangeavec des molécules de l’entourage, par exemple:

Mbio. Mbio.

* + N + P + *N + P Mbio.

+ A + B

Il en résulte la formation de molécules nouvelles, responsables de phénomènesbiologiques, comme celui de la photosensibilisation.

- par formation de polymères, par exemple formation de dimèresde thymine après irradiation de l’ADN par les UV , remaniant lamolécule et provoquant des dysfonctionnements métaboliques,ou des mutations génétiques.

- I - 4 - 3 ) Effets photochimiques secondaires

Les maxima d’absorption expérimentaux permettent d’identifier les principaux sitesréactifs :


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- le cycle hexagonal pyrimidique, particulièrement celui de lathymine, responsable d’une hydratation de la molécule suivie d’une dimérisation (maximumd’absorption vers 265 nm ).

- les acides aminés aromatiques, spécialement la thyrosine(maximum d’absorption vers 275 nm) et le tryptophane (maximum d’absorption vers 280 nm).

Il est à noter que les rayonnements ultraviolets, qui agissent sur les protéines et surl’ADN, n’ont aucune action sur l’eau, contrairement aux rayonnements plus énergétiques.

Bien entendu, les lésions moléculaires sont réparées par de très efficaces systèmesenzymatiques, actuellement toujours étudiés. On connaît bien le mécanisme d’excision desdimères de thymine suivie d’une réparation sans faute du patrimoine génétique cellulaire.

Dans certaines maladies heureusement rares, telle le xeroderma pigmentosum detransmission autosomique récessive, des anomalies enzymatiques sont responsables d’unedéfaillance des mécanismes de réparation. Il apparaît un grand risque de dégénérescenceépithéliomateuse cutanée.

I - 5 ) Effets macroscopiques des ultraviolets

La quasi-totalité des UV est absorbée par quelques millimètres de tissus mous, ce quirend compte des effets biologiques et médicaux limités essentiellement à la peau, mais aussi pourune moindre mesure à l’œil.

I - 5 - 1 ) Absorption des UV

Le tissu cutané protège l’organisme et participe à l’homéostasie (température,respiration, excrétion). Le rayonnement UV pénètre dans l’épiderme, revètement stratifiépavimenteux dont la couche la plus externe est la couche cornée, mais aussi plus profondémentdans le derme. Les mélanocytes sont disposés contre la lame basale de l’épiderme.


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épiderme

derme

couche cornée

cel. malpigiennes

100 nm 280 nm 400 nm315 nmUV - AUV - C UV - B

Le schéma précédent montre que la pénétration cutanée des UV est fonction de lalongueur d’onde : les photons de plus faible énergie sont les plus pénétrants. La profondeuratteinte dépend aussi du phototype du sujet, moins la peau est pigmentée, plus la pénétration estimportante.

Pour l’œil, la majorité de l’énergie ultraviolette est absorbée par la cornée, mais les UV- A peuvent atteindre le cristallin. L’humeur vitrée et la rétine ne sont pas irradiées.

I - 5 - 2 ) Effets favorables

UV - A :

Le bronzage, ou pigmentation de la peau est dû à une accumulation de grains demélanine dans l’épiderme.

Les UV - A et les UV - B interviennent pour cet effet biologique.

Il existe au moins deux types de mélanine synthétisée par les mélanocytes :

- la mélanine noire, ou eumélanine, très absorbante est présente chez lessujets bruns à peau mate.

Les sujets noirs, qui possèdent le même nombre de mélanocytes que les sujets blancssynthétisent la mélanine en plus grande quantité, et surtout la dégradent moins.

- le mélanine rouge, ou phéomélanine, peu absorbante est présente chez lessujets blonds ou roux.

Le bronzage permet une protection contre les UV - B, mais pas contre les UV - A ou C,ni contre le rayonnement visible.


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En d’autres termes, on verra que le bronzage protège des coups de soleil, mais pas contrele vieillissement précoce( rides), ni contre la cancérisation.

UV - B :

Les UV - B interviennent comme les UV - A dans le brunissement de la peau.Un autre effet favorable bien connu est la synthèse de la vitamine D par absorption

photonique dont le maximum est proche de 280 nm.

7 - déshydrocholestérol —> cholécalciférol ( vit. D )νh ( 280 nm)

3

La réaction se poursuit par une modification métabolique lors d’une doublehydroxylation en 25 par le foie, puis en 1 par le rein, aboutissant à la 1 - 25dihydroxycholécalciférol qui est la molécule hormonale active.

UV - C :

- l’effet germicide

Les UV - C ont un effet létal sur de nombreux germes, bactéries, virus ou champignons.Ils sont utilisés pour la stérilisation de matériel ou de l’eau, ou encore de l’ambiance comme celledes champs opératoires en chirurgie.

L’action des rayonnement sur la thymine semble être la cause principale de la létalitécellulaire, les fortes doses de rayonnement ultraviolet saturant les enzymes chargés de larestauration des erreurs sur les séquences d’ADN.

- la formation de l’ozone

C’est un phénomène naturel un peusurprenant, puisqu’une même classe derayonnements produit des substances,dont l’ozone, qui sont responsables de sonabsorption.

C’est un exemple de boucle d’actionet de rétroaction bien régulée sans laquellela vie ne serait pas possible sur terre, euégards aux effets des UV - C sur lesmolécules d’ADN.

0 3

0 3

0 2

0 3

0 3

0 3

0 3

0 30 30 2

0 2

0 2

0 2

0 2

0 2

0 2

0 2

0 3

0 3

0 30 3

0 30 3

0 2

0 20 2

0 20 20 3

0 2

0 3

0 3 0 3


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I - 5 - 3 ) Effets délétères

Les effets pathologiques chez l’homme sont de nature déterministe, généralement aigus,mais aussi stochastiques, alors tardifs (différés). Les effets stochastiques sont rares et augmententla probabilité de contracter une maladie.

I - 5 - 3 - i ) Effets déterministes

1 - L’érythème ou coup de soleil

Il existe un rougissement contemporain à l’exposition qui disparaît rapidement. Ilsemble que la libération d’histamine soit responsable de cet effet.

Six à vingt quatre heures après une exposition trop importante au soleil, qui dépend duphototype du sujet, la peau rougit, c’est une brûlure du premier degré. La réparation se réalise enquelques jours, sous forme d’une desquamation, c’est à dire par une augmentation de laproduction des cellules kératinisées.

Le coup de soleil stimule la synthèse de la mélanine, la peau bronze secondairement.

Si le délai entre l’exposition et l’apparition de la rougeur diminue, deux à six heures parexemple, on peut s’attendre à une brûlure plus intense, du second degré, accompagnée dephlyctènes. Les cellules basales de l’épiderme et les mélanocytes sont endommagés.

L’érythème se traduit histologiquement par une vasodilatation dont le mécanisme initialest mal connu. La molécule qui absorbe le photon, appelé chromophore n’est pas identifiée, il nes’agit pas de l’ADN, certains phospholipides ont été mis en cause. Les médiateurs des réactionssecondaires ne sont pas connus, le rôle de la 5-hydroxytryptamine a été proposé.

La dose érythémateuse minimale, laDEM, est très variable selon le phototypeet les régions de la peau.

Voici approximativement quelquesvaleurs numériques, estimées pour la peauthoracique d’un européen à peau claire nonbronzée.

DEM100 J.m -2 240 nm < λ < 290 nm150 J.m -2 λ = 300 nm> 500 J.m -2 λ > 300 nm ,

l’augmentation est ensuite très rapide

Ce sont bien les UV - B qui sont responsables des brûlures.

2 - La photosensibilisation

Plusieurs mécanismes sont en causes, mais il faut l’association d’au moins trois facteursprésents simultanément :

- le chromophore, molécule de la cellule qui est à l’origine de l’interactionmatière-rayonnement,


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- une molécule intermédiaire, un médicament, des protéines, denombreuses substances naturelles végétales,

- une exposition aux rayonnements UV - A , et même aux rayonnementsvisibles de plus importantes longueurs d’onde.

Pour tous les phénomènes de photosensibilisation, il apparaît une augmentation del’intensité et une diminution du délai d’apparition de l’érythème, donc une diminution de laDEM.

i ) l’intolérance au soleilDiverses pathologies sont regroupées sous la dénomination de lucites.Suite à d’une exposition solaire, même de faible intensité et après un délai de 12 à 24

heures apparaît une éruption prurigineuse sur le thorax et les avant-bras.L’urticaire solaire est responsable de lésions identiques, mais qui surviennent plus

rapidement, dès les premières minutes de l’exposition.Il s’agit de maladies récidivantes chaque saison.

ii ) la phototoxicitéLa conjonction d’UV - A (environ 360 nm), de la peau humide et d’une substance

présente dans de nombreux végétaux, y compris dans l’herbe commune, les fucoumarines,provoquent des lésions de dermite très prurigineuses reproduisant la morphologie de la planteincriminée. C’est la classique dermite des près.

Un autre exemple de phototoxicité est l’association des UV - A et des œstrogènes (piluleou grossesse) responsable d’une pigmentation en plaque du visage et de l’abdomen, c’est lechloasma, encore appelé masque de grossesse.

iii ) la photoallergieDe très nombreuses substances sont photoallergisantes, telles de nombreux médicaments

de toutes les classes thérapeutiques. Pour l’exemple, on peut citer l’aspirine, l’insuline, denombreux antibiotiques, des hypertenseurs.

Des molécules issues du métabolisme et présentes en quantité trop importante danscertaines maladies, comme le lupus érythémateux disséminé ou les porphyries sont aussiimpliquées.

L’association du chromophore et d’une protéine provoque une hypersensibilisation etune réaction immunitaire antigène-anticorps, ou même cellulaire. L’exposition au soleil ou auxUV - A déclenche un urticaire ou une allergie généralisé.

3 - Les effets oculaires

Sans parler de la fixation directe du soleil qui peut provoquer une cécité transitoire ouirréversible, les rayonnements ultraviolets peuvent provoquer une inflammation de laconjonctive, une conjonctivite, ou de la cornée, une kératite.

50 J.m -2 λ = 280 nm550 J.m -2 λ = 310 nm22 500 J.m -2 λ = 315 nm


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La « dose » responsable d’une photokératite dépend de la longueur d’onde durayonnement. Les valeurs expérimentales ci-contre objectivent l’importance des effets dus auxUV - B : il faut une irradiation considérable en UV - A pour produire une kératite.

Les kératites surviennent dans des circonstances particulières, à la montagne ou sur laplage ( réflexion des UV par la neige, ophtalmie des neiges, ou le sable), ou chez les soudeurs (lecoup d’arc).

4 - Le vieillissement précoce

Contrairement aux effets déterministes précédents, qui sont des effets précoces, levieillissement est un effet déterministe tardif, survenant plusieurs années après l’exposition.

Dix à vingt ans après une exposition abusive au soleil, on observe une altération descellules basales de l’épiderme accompagnée d’une atrophie tissulaire. Le derme perd sonélasticité en raison de la dégradation des fibres de collagène et d’élastine.

Le rôle des radicaux libres est important, cependant l’effet semble surtout dû à lasaturation des enzymes de réparation de l’ADN durant l’exposition.

Cliniquement, la peau devient plus sèche, des rides profondes apparaissent et il se créedes taches pigmentaires sur le dos des mains et sur le visage (tache séniles).

Toutes ses lésions sont normales après soixante ans, mais en cas d’exposition excessiveaux UV, elles surviennent vingt ou trente ans plus tôt.

L’ensemble des UV participe à cet effet et il est faux d’affirmer que les UV - A sontmoins dangereux que les UV - B, ce ne sont que des arguments commerciaux sans fondementscientifiques. L’excès d’irradiation UV reste toujours dangereux.

I - 5 - 3 - ii ) Effets stochastiques

Les effets déterministes existent constamment à partir d’une certaine exposition et leurgravité croît avec la dose.

Ces effets sont reproductibles dans des conditions précises, ils sont ainsi mesurables pardes études expérimentales.

Dans une population exposée, on ne peut qu’aborder l’aspect statistique d’événementsrares que sont les effets stochastiques.

La relation dose-effet n’est pas linéaire et de plus non forcément croissante.

Une dose importante peut provoquer moins d’effets qu’une faible dose.


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1 - Les effets génétiques

Il est raisonnable d’admettre que les effets génétiques n’existent pas pour lesrayonnements ultraviolets, puisqu’ils sont absorbés par l’épiderme et le derme ils n’atteignent pasles cellules germinales.

Les mutations « transmissibles » ne sont pas envisageables.

2 - Les épithéliomas

De nombreux arguments plaident pour une origine photo-induite des cancers cutanés.Par exemple, les carcinomes cutanés surviennent essentiellement au niveau des zonesdécouvertes ou ayant présentées des coups de soleil, plus spécialement durant l’enfance.

Le taux de cancers cutanés est trois fois plus important en Australie, pays très ensoleillé,qu’en Europe.

Il est difficile d’estimer de manière précise le nombre de cancers de la peau car, pour lamajorité d’entre eux, ce sont des cancers qui guérissent facilement et qui ne sont pas enregistrés.Ils représentent environ 20% de tous les cancers en France, soit environ 50 000 nouveaux cas paran.

On détaillera, lors de l’étude des effets des rayonnements ionisants, le déclenchementd’un processus aboutissant à une cellule cancéreuse.

Il faut différents agents :

- un agent initiateur qui peut être une exposition aux ultraviolets

- un ou des agents promoteurs, génétiques, chimiques ou physiques qui« assurent » la transformation.

La cancérisation apparaît comme un processus multifactoriel provoqué par plusieurslésions indépendantes dont les effets sont cumulatifs.

Bien entendu, l’augmentation des lésions initiatrices augmente la probabilitéd’apparition d’un cancer évolutif.

C’est le cas des UV - A ou B potentiellement initiateurs par modification de la structureprimaire de l’ADN.


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i ) l’épithélioma baso-cellulaire

Ces cancers peu invasifs guérissent dans la très grande majorité des cas par excisionchirurgicale car ils sont à malignité locale, sans métastases.

Ils se localisent au niveau du visage, du cou, du décolleté et des avant-bras, signature del’origine photo-induite.

ii ) L’épithélioma spino-cellulaire

Plus rare mais plus grave, son extension est régionale, ganglionnaire ou générale,métastatique.

3 - Le mélanome

Le mélanome, ou nævo-carcinome est développé aux dépends des mélanocytes.

Le sexe-ratio est de trois cas chez les hommes pour sept cas chez la femme pour environ4000 nouveaux cas par an en France.

On observe une augmentation de 5% tout les ans actuellement dans notre pays, et plusencore dans les pays nordiques.

De nombreux facteurs mettant en cause l’exposition aux UV sont décrits :

- coups de soleil, spécialement pendant l’enfance

- existence d’une peau claire

- exposition brutale et intermittente liée à la mode du bronzage estival

- utilisation des lampes à bronzer

La physiopathologie de la survenue des mélanomes n’est pas encore parfaitementconnue, les UV A et B interviennent de manière certaine, mais on ne sait pas encore quel est leurrôle, promoteur ou initiateur.


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I - 5 - 4 ) Utilisations thérapeutique des UV

I - 5 - 4 - i ) Traitement du rachitisme

Le rachitisme est dû à une carence en vitamine D, traduite biologiquement par uneabsence de minéralisation de la trame osseuse.

Une des causes est une insolation insuffisante.L’exposition de 100 cm 2 de peau pendant 5 mn tous les jours est suffisante en

prévention. L’irradiation par les UV a été pendant longtemps un traitement du rachitisme,actuellement, la complémentation vitamino-calcique est plus usité car plus efficace.

I - 5 - 4 - ii ) Traitement du psoriasis

Plus d’un million de français présentent un psoriasis. Il s’agit de taches ou de plaquesqui desquament. Les lésions sont fréquentes au niveau des coudes et des genoux;

Un des traitement de cette maladie dont l’évolution est très chronique est laphotochimiothérapie, associant des médicaments (psoralènes d’origine végétale) à une irradiationpar les ultraviolets de type A, c’est la PUVA-thérapie.

I - 5 - 4 ) Utilisations thérapeutique des UV

I - 5 - 4 - i ) Traitement du rachitisme

Le rachitisme est dû à une carence en vitamine D, traduite biologiquement par uneabsence de minéralisation de la trame osseuse.

Une des causes est une insolation insuffisante.L’exposition de 100 cm 2 de peau pendant 5 mn tous les jours est suffisante en

prévention. L’irradiation par les UV a été pendant longtemps un traitement du rachitisme,actuellement, la complémentation vitamino-calcique est plus usité car plus efficace.

I - 5 - 4 - ii ) Traitement du psoriasis

Plus d’un million de français présentent un psoriasis. Il s’agit de taches ou de plaquesqui desquament. Les lésions sont fréquentes au niveau des coudes et des genoux;

Un des traitement de cette maladie dont l’évolution est très chronique est laphotochimiothérapie, associant des médicaments (psoralènes d’origine végétale) à une irradiationpar les ultraviolets de type A, c’est la PUVA-thérapie.


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I - 6 ) Protection et normes de sécurités

La dosimètrie des UV est difficile, il n’y a pas de dosimètre physique fiable permettantun contrôle efficace des personnels professionnellement exposés.

L’exposition au soleil est une affaire d’éducation sanitaire, surtout en ce qui concerne lesenfants.

Les normes de sécurité sont aussi difficile à établir, il faut tenir compte de la grandevariabilité des phototypes, mais aussi de la nécessité de l’irradiation pour la synthèse de lavitamine D.

Pour l’instant, il n’y a aucune norme, ni en France, ni en Europe et pourtant, malgré lesbienfaits évidents du soleil, les mélanomes tuent plus de mille personnes en France chaque année.

II LE VISIBLE

Le rayonnement visible par l’œil humain est la partie du spectre électromagétique dontles photons ont une énergie comprise entre 1,6 et 3,1 eV. Les longueurs d’onde correspondantessont de 800 et 400 nm.

L’étude de la vision sera détaillée en biophysique sensorielle.

Rappelons que les photons visibles provoquent une isomérisation cis-trans du pourprerétinien, effet moléculaire initial déclenchant une cascade de phénomènes biologiques aboutissantà la vision.

Comme pour l’ensemble des effets biologiques, l’effet initial est considérablementamplifié du point de vue énergétique.

L’ensemble des cellules rétiniennes est capable de réaliser une spectrométrie dans ledomaine du visible, base de la vision des couleurs.

Les effets biologiques du domaine électromagnétique visible seront essentiellementrencontrés lors de l’étude du rayonnement LASER, le débit de dose étant bien plus important quepour les sources de lumière visible habituelles.

II - 1 ) Les sources de lumières

Jusqu’au début du vingtième siècle, le soleil était de loin la source principal de lumière,son spectre d’émission est comparable au rayonnement du corps noir de température 5600 °.C’est l’exemple type d’une source primaire qui transforme une énergie en photon.

Il existe d’autres sources, appelées secondaires qui ne font que diffuser la lumière parréflexion ou diffraction (lune, miroir, neige ,etc.)


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Parmi les sources artificielles il convient de distinguer les sources :

- incandescence lorsque l’énergie d’excitation est purement thermique

- luminescence dans tous les autres cas (électroluminescence,chimiluminescence, bioluminescence...)

Le modèle élémentaire de N. BOHR (1885 - 1962), explique la création photonique,c’est à dire l’émission de lumière, par modification des états d’énergie de liaison des électrons aunoyau.

Ce modèle est bien connu, il limite l’expression de l’énergie de liaison en fonction duseul nombre quantique principal n .

Eliaison = −E0n2

13,6 eV couche K3,4 eV couche L1,5 eV couche M

L’énergie des photonsémis est en accord avec ladifférence des énergies deliaison :

hν = Ei − E j

La transition L –> M de 1,9 eV est une raie du domaine visible pour une excitation desatomes d’hydrogène.

Cette raie possède une certaine largeur (inégalité d’HEISENBERG), et de plus, d’autresnombres quantiques compliquent le modèle ( l , nombre quantique d’éllipticité, m nombrequantique magnétique, s nombre quantique de spin).

En fin de compte le spectre de la lumière visible, comme celui des autres rayonnementsélectromagnétiques est composé de raies séparables si la précision de l’appareil de mesure estsuffisante.

Cependant, la multiplication de raies très proches donne un aspect de continu pour unintervalle d’énergie, on parle de spectre de bande ou même de continuité parfaite comme dans lecas de l’observation de l’arc-en-ciel.

Ci-contre, quelques valeursnumériques de longueurs d’ondeset d’énergie photonique adaptées àla perception des couleurs

violet 400 nm 3,1 eVvert 500 nm 2,5 eVorangé 600 nm 2,0 eVrouge 700 nm 1,7 eV


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II - 2 ) La propagation de la lumière

La lumière se propage dans le vide ou dans la matière. Dans le sens commun, un milieutransparent est un milieu qui laisse passer les photons du domaine énergétique visible. Ce milieuest transparent ou opaque selon les énergies, le verre ordinaire est transparent pour le visible, etopaque pour les UV. Le quartz est transparent pour ces deux rayonnements.

Les propriétés optiques de la lumière et leurs applications pratiques sont évidentesdepuis l’invention des lentilles, en oubliant le microscope optique :

- une lentille divergente corrige l’œil myope- une lentille convergente corrige l’œil hypermétrope- une lentille cylindrique corrige l’œil astigmate

Le trajet suivi par la lumière est un exemple où des siècles de spéculations théoriquesaboutissent à des applications médicales dès que la technologie autorise une fabrication dematériel fiable à coût abordable.

La dualité onde-corpuscule a été rencontrée en imagerie médicale. On précise ici latrajectoire d’un rayon lumineux, ou d’une onde, puisqu’il s’agit de deux aspects complémentairesde la même réalité physique.

II - 2 - 1 ) Vitesse de la lumière dans la matière

La vitesse de la lumière dans le vide, c , très proche de 3 . 10 8 m.s -1 , est une constanteuniverselle.

Elle est liée à la permittivité ( ε 0 ) et à la perméabilité ( µ 0 ) du vide par la relationfondamentale :

c =1

ε0 . µ 0

Dans la matière de permittivité ε et de perméabilité µ , la vitesse de la lumière est plusfaible et s’écrit de façon plus générale :

v =1ε . µ

=c

ε r . µ r

où les constantes relatives sont définies par ε r =εε0

et µr =µµ0

Pour les milieux habituels de propagation de la lumière (vide, air, eau, verre,plastique...), la vitesse est exprimée par un indice n .

Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs numériques pour une radiation proche del’orangé, l’indice variant en fonction de la longueur d’onde ( c’est la classique dispersion de lalumière par le prisme).


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v =cn

vide ou aireauverrediamant (pour l’exemple)

1,0001,331,62,4

II - 2 - 2 ) Trajet de la lumière dans la matière

Un photon ou une onde, selon l’aspect envisagé, qui se présente sur une interface entredeux milieux d’indice différent subit une modification de sa trajectoire.

C’est l’expérience quotidienne de la lumière et de l’interface air-eau.

Les rayons sont soit réfléchis, soit transmis et dans ce cas ils sont réfractés. L’originelatine de « réfracté » est celle de brisure, de cassure de la ligne droite attendue pour lapropagation d’un rayon lumineux.

Les lois de la propagation lumineuse sont connues sous le dénominatif de loi deDESCARTES en France et de loi de SNELL dans les pays anglo-saxons. Nous les appelleronslois de SNELL-DESCARTES, puisque l’antériorité de leurs découvertes est effectivement due àW. SNELLIUS (1580 - 1626 ).

Dès que les indices sont différents, ilexiste un « effet miroir ».

Le rayon réfléchi ( 1 ) restedans le même milieu que le rayonincident ( 2 ).

Le rayon, ou le photon,transmis ( 3 ) change de direction, ilse rapproche de la normale dudioptre, surface de séparation entreles deux milieux d’indice n 1 et n 2dans l’exemple ci-contre, c’est àdire dans le cas où n 2 > n 1 .

Ce sont les lois de SNELL -DESCARTES, très classiques.

i 1-i 1

i 2

1

2

3n 1n 2 >

n 1

1 - le rayon réfléchi et le rayon réfracté sont dans le même plan que lerayon incident

2 - les angles par rapport à la normale entre le rayon incident et le rayonréfléchi sont égaux en valeur absolue


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3 - la relation liant l’angle d’incidence et l’angle de réfraction s’écrit :

n 1 . sin ( i 1 ) = n 2 . sin ( i 2 )

II - 2 ) La dualité onde - corpuscule

Les lois précédentes sont intéressantes du point de vue théorique. Il est possible, munid’un équipement mathématique réduit, d’illustrer les conceptions classique et quantique de lalumière, sans passer par la modélisation très théorique de la mécanique quantique.

II - 2 - 1 ) loi de la réflexion

Si on imagine le photon comme une particule, lors de la rencontre avec un miroir,l’impulsion, encore appelée quantité de mouvement est perpendiculaire à celui-ci.

Le principe très général de la conservation de la quantité de mouvement montre alorsque l’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion (schéma page suivante).

Selon la conception quantique, l’onde est réfléchie par la totalité du miroir, cette ondeétant directement liée à la probabilité de présence du photon.

Pour une lumière monochromatique, l’onde est sinusoïdale.

Vr–>

Vi–>

Vr–>Vi

–>

x

y

miroirp = m v

La composante en x de lavitesse du photon, théorieparticulaire, passe de vx avantle choc à - vx après la choc.

La réaction exercée par lemiroir est parallèle à lanormale.

C’est le modèle de laboule de billard.

On admet que le choc estélastique, c’est-à-dire que lephoton n’est pas déformé durantl’interaction avec le miroir.

En électrodynamiquequantique, tous les trajets sontpossibles.

Les deux trajets extrêmesainsi qu’un trajet quelconqueparamétré par la variable x ontété dessinés.


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ainsi qu’un trajet quelconqueparamétré par la variable x ontété dessinés.

La distance entre deuxpoints, A et B , d’un plan(théorème de PYTHAGORE),est donnée par :

d = ( xB −xA )2 + ( yB −yA)

2

x

y

miroir

x x

x

source sx oy,( ) détecteur dx oy,( )

oy écran

Pour un trajet quelconque paramétré par x , entre la source de coordonnées ( xs , yo) etle détecteur ( xd , yo ) est , la distance parcourue par l’onde est la somme des deux distances :

source –> x + x–> détecteur

= ( (xs - x ) 2 + (y0 - 0 ) 2 ) 1/2 + ( (x - xd ) 2 + (0 - y 0 ) 2 ) 1/2

Avec les notations de MATHEMATICA, programme de calcul formel, il vient :

d1 = Sqrt [( x - xd )^2 + y0^2] + Sqrt [( - x - xs )^2 + y0^2]

d2 = D [ d1 , x] renvoit la dérivée

d2 = x − xd( x − xd ) 2 + y0 2

+x − xd

( xs − x ) 2 + y0 2

Solve [ d2 == 0 , x] trouve la seule solution x qui annule la dérivée,x = ( xd + xs)/2

x est donc à égale distance du détecteur et du récepteur, comme les ondes ont toutes lamême vitesse, on retrouve bien évidemment le résultat classique, le trajet des ondes étant celuiqui prend le moins de temps.

En définitive, en prenant le trajet de moindre temps, on montre que c’est au centre dumiroir que se réalise la majorité des réflexions.

II - 2 - 2 ) loi de la réfraction

On peut aussi retrouver la loi de la réfraction en imaginant les photons comme des pointmatériels. Mais il faut faire une hypothèse supplémentaire, d’ailleurs intuitive, et qui correspondà un cas particulier de la loi d’HAMILTON (1805-1865). Le temps mis par les particulesmatérielles pour aller d’un point à un autre est le plus faible possible.

Cette fois ci, la vitesse depropagation des particules ne sera pasidentique pour les deux milieux.


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x

x

( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 )

Détresse

Sauveteur

plage

eau

identique pour les deux milieux.

L’exemple du sauveteur présent surune plage est parlant. La vitesse en courseà pied est supérieure à celle de la nage.

( 1 ) n’est pas le trajet optimal !( 2 ) est le trajet le plus court en

distance( 3 ) est le trajet le moins long en temps( 4 ) est le trajet le plus court dans l’eau

Il est possible de trouver un compromis entre le trajet le plus court dans l’eau et le trajetle plus court dans les deux milieux. On peut calculer le point d’entrée dans l’eau qui rendl’intervention optimale : durée de trajet la plus courte.

De la même manière, on peut optimiser en temps le trajet d’une particule de lumièreentre une source S et un détecteur D .

Pour faciliter les notations, ce quin’enlève rien à la généralité du raisonnement,la source de photons est placée en S ( 0, y0 )= ( 0 , 5 ), le détecteur en (x0 , -y0 ).

x0 = 5 , y0 = 5

Les milieux pris en exemple sont l’air,n1 = 1 et l’eau, n2 = 1,33 .

Le point d’entrée du photon dans l’eauest noté E , paramétré par la variable x .

Le trajet total source-détecteur est lasomme des chemins parcourus dans l’air etdans l’eau : SE + ED.

5

- 5

x

x

S ( 0 , y0 )

i 1

i 2

Ex0

y0

x

n 1

D ( x0 , - y0 )

n2

Le théorème de PYTHAGORE permet d’exprimer les distances SE et ED :

SE = x 2 + y 02 = x 2 + 25 =

xsin i 1


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ED = (x 0 − x)2 + y 0

2 = (x − 5) 2 + 25 =(x 0 − x )sin i 2

Dans notre exemple numérique, la durée du parcourt est exprimée par t telle que :

t =SEv 1

+EDv 2

avec v i =cn i. D' où : ct = n 1.SE + n 2 .ED

Les courbes calculées ci-dessous caractérisent la fonction ct , ainsi que sa dérivée parrapport à x : d ( ct ) / dx.

1 . x 2 + 25 + 1,33 . ( x − 5) 2 + 25 1. xx 2 + 25

+1,33 . (x − 5)( x − 5) 2 + 25

La solution optimale, qui minimise le temps de trajet est x = 2,93934...

On peut retrouver de façon élégante la loi de la réfraction dans ce modèle classique, àpartir de la dérivée par rapport à x de ct . L’annulation de cette dérivée correspond à unextremum. Toujours avec l’exemple numérique précédent :

d( ct)dx

=n 1 . xx 2 + 25

+n 2 . (x − 5)( x − 5) 2 + 25

=n 1 . x

SE+

n 2 . ( x − 5)ED

=n 1 . x

xsin i 1

+n 2 . ( x − 5)

( 5 − x)sin i 2

= n 1 . sin i 1 − n 2 . sin i 2

Lorsque cette expression est nulle, c’est à dire pour un temps de parcours minimal, onretrouve bien n 1 . sin i 1 = n 2 . sin i 2 .


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En reprenant non plus la dérivée, mais l’évolution de ct en fonction de x , on retrouveune formulation quantique du même phénomène.

Selon la théorie quantique, l’onde liée au photon, ou plus précisément le carré de sonamplitude représente la probabilité de présence du photon. Le trajet de l’onde peut atteindre icitous les points de l’interface entre l’air et l’eau.

La superposition de quelques trajets possibles, parmi une infinité, et de la courbe dutemps mis pour aller de la source au détecteur retrouve le résultat classique.

Superposition de ct , durée dutrajet entre S et D et des différentschemins possibles pour l’onde entrela source et le détecteur.

Pour une valeur proche de trois,dans notre exemple numérique, leprincipe du moindre temps estrespecté, on retrouve le résultatobtenu à l’aide du modèle particulairede la lumière.

Ces considérations théoriquessont données à titre de complément,seules les lois sont à retenir en raisonde leur importance en dioptriqueoculaire.

D

S

air

eau

Comme application des lois de la réflexion et de la réfraction, on parlera des fibresoptiques dont l’importance pratique est croissante. La dioptrique oculaire est étudiée enbiophysique sensorielle.

II - 3) Les fibres optiques

En raison de notre nature de terrien , il est plus facile d’imaginer la propagation d’unfaisceau de lumière de l’air vers l’eau. La propagation lumineuse est cependant possible dans lesens inverse, de l’eau vers l’air, en plongée sous-marine par exemple.


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Un autre exemple concerne les fibres optiques. Il s’agit d’une application directe des loisde la réfraction, mais pour un trajet lumineux allant du milieu d’indice élevé vers le milieud’indice inférieur.

n1

n 2 n1>

Si le rayon lumineux pénètre dansun milieu plus réfringent ( n 2 > n 1 ) il serapproche de la normale (cas précédent).Il s’en éloigne dans le cas contraire.

La formule de la réfraction est bienentendu toujours valable, on peutcontinuer à écrire :

n 1 . sin i 1 = n 2 . sin i 2

En toute rigueur, il convient de tenircompte de l’orientation, ou du signe, desangles.

A partir d’un certain angled’incidence i i ,appelé angle limite, lalumière ne peut plus être transmise versle milieu le moins réfringent.

Il existe alors une réflexion qui seproduit pratiquement sans perted’intensité : c’est la réflexion totale. Lerayon lumineux ne se propage que dansle milieu le plus réfringent.

Pour i i = l le rayon émergent estperpendiculaire à la normale.

Cette remarque est à la base dufonctionnement des fibres optiques.

n 1

n 2 n 1>l

90 °

Exemple numérique pour l’interface air-eau, l’angle limite est de l’ordre de 50° :

sin l = n 1

n 2

. sin90° =1

1,33≈ 0,7519


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Dans un tube de verre ou de matièreplastique transparente, si les rayonslumineux rencontrent la paroi sous unangle supérieur à l’angle limite, proche decinquante degrés, il y a réflexion totale.

C’est une fibre optique, lapropagation de l’onde se réalise sans perted’intensité.

Une fibre optique isolée ne peut transmettre une image, puisqu’un mélange de tous lesrayons existe à la sortie.

Actuellement, les fibres ont undiamètre de l’ordre de 1 µ m et sontassemblées en faisceau ordonné deplusieurs milliers de fibres par millimètrecarré : c’est le fibroscope.

Chaque point lumineux est transmisunitairement, la précision anatomique estexcellente.

Le fibroscope est composé de deux faisceaux de fibres optiques :- le faisceau éclairant qui transmet la lumière d’une source externe à

l’organe- le faisceau image qui transmet la lumière des tissus réémise parallèlement

à l’axe des fibres.

Les fibres ne sont reliées qu’aux deux extrémités, l’ensemble reste souple pour l’étudedes cavités naturelles.

L’observation peut se faire par oculaire en vision directe, ou par enregistrement vidéoqui autorise alors les traitements habituels de l’image.

II - 4 ) L’endoscopie

L’endoscope est l’association d’un fibroscope et de plusieurs canaux de service, ce quipermet de nombreuses manipulations :

- orientation de l’extrémité du fibroscope- injection et aspiration de sérum physiologique- biopsie à la pince- injection de médicament- surtout actuellement, possibilité de microchirurgie.


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L’endoscope permet aussi l’emploi de sondes transductrices, mesure du pH, de lapression, de la température, et aussi le guidage d’un faisceau LASER qui présente de nombreusesapplications médicales.

Les effets biologiques de la lumière visible concerne essentiellement les effetsthermiques, qui seront détaillés lors de l’étude de ces rayons de lumière visible concentrés dans letemps et dans l’espace.

Voici quelques applications de l’endoscopie :

- en gastro-entérologie, une hématémèse (émission de sang lors d’un effortde vomissement) entraîne une fibroscopie gastro-œsophagienne pour localiser la lésion. Lafibroscopie colique permet l’examen et le traitement des polypes.

- en pneumologie, la fibroscopie est un des examens de base de lapathologie broncho-pulmonaire. L’hémoptisie (émission de sang lors d’un effort de toux)entraîne une fibroscopie bronchique chez le fumeur de plus de quarante ans. La pratique debiopsie est alors systématique.

- en urologie, la vessie est facilement étudiée par endoscopie et autoriseaussi les biopsies.

Citons pour terminer le développement considérable de la microchirurgie souscœlioscopie, associant l’endoscopie et le traitement des images en temps réel.

III L’INFRAROUGE

Tout objet qui n’est pas à la température du zéro absolu émet des rayonnementsinfrarouges. Dès qu’il y a agitation moléculaire, une émission infrarouge dont le spectre estcontinu apparaît.

L’aspect théorique « le rayonnement du corps noir » est présenté en annexe après cechapitre et ne nécessite que des connaissances élémentaires en mathématiques pour être abordé.

L’étude du rayonnement du corps noir est fondamentale tant en physique théorique quepratique, en effet le transport d’énergie par le rayonnement infrarouge intervient dans tous lesdomaines du monde vivant.

L’exemple des serpents, les crotales ont étés particulièrement bien étudiés, est connu. Onpeut considérer que la quasi-totalité de la perception du monde extérieur de ces animaux transitepar des récepteurs thermosensibles qui captent le rayonnement infrarouge.


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III - 1 ) Aspect physique

10 4

10 3

10 2

10 1

10 - 1

10 5

106

107

10 8

10 9

1

1 10 100 10000,1λ ( µm)

flux

3000 °K

6000 °K

300 °K

800 °K

incandescence

soleil

métal rouge

homme

Le spect re de cerayonnement électromagnétiqueévolue de 0,8 µm (800 nm) et1000 µm (1 mm), entre le visibleet les micro-ondes.

Pour l’interprétation de cescourbes, on peut lire l’annexe« rayonnement du corps noir ».

Les maxima des différentescourbes sont fonction inverse dela température absolue :

λ M =2900T

- la longueur d’onde est enµm

- la température en °K.

On note l’importance de l’amplitude du flux énergétique, de la fraction d’unité à 10 9 .

Les sources d’infrarouges sont très diverses :

- naturelles, étoiles dont le soleil en particulier

- artificielles, lampes à incandescence ou à luminescence, flammes, métalrougi, toutes autres sources de chaleur

- l’organisme humain, par l’intermédiaire de son revêtement cutané, est unémetteur d’infrarouge.

De nombreuses professions sont soumises à un rayonnement infrarouge intense, les plusfréquemment citées sont celles des ouvriers fondeurs ou des hauts fourneaux ainsi que celles desouvriers de l’industrie du verre.

Les mesures des flux énergétiques sont difficiles et sont surtout basées surl’augmentation de la température sous rayonnement. D’autres techniques existent, mais elles sontlimitées à une étroite bande énergétique, donc peu fiables en protection humaine.


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III - 2 ) Effets biologiques

L’absorption par les tissus biologiques des photons infrarouges modifie l’état devibration ou de rotation moléculaire (cf. p. 5).

En raison de leur faible énergie, les photons infrarouges ne peuvent bien évidemmentpas produire d’ionisation, pas plus que de réaction photochimique.

L’irradiation infrarouge est globalement perçue comme une augmentation de la chaleur.

III - 2 - 1 ) Effets délétères

Les effets sur l’œil ont été étudiés puisque cet organe, suivant les lois de la réflexion etde la réfraction, a la propriété de focaliser les rayonnements sur le cristallin puis sur la rétine.

Un effet déterministe est classique : la cataracte des souffleurs de verre exposés parnécessité aux infrarouges, il s’agit d’ailleurs du seul effet qui était peu contestable.

Depuis, l’évolution des conditions de travail est telle qu’aucun effet n’est mesurable surles différentes études récentes. Sur l’animal, des lésions sont reproductibles mais pour desexpositions intenses ne pouvant être extrapolées chez l’homme.

Mise à part les effets oculaires, les effets cutanés peuvent exister et être responsables debrûlures. Heureusement, la sensation d’excès de chaleur ou de douleur est un signal suffisantpour éviter les lésions. Les mécanismes de compensation sont bien connus, comme lavasodilatation et la sudation.

L’effet de la chaleur sur la spermatogenèse est souvent cité, mais aucune étudeconcluante n’a jamais été publiée. On incrimine de même en vrac : l’hyperthermie transitoire, lesslips serrés, les varicocèles, etc.

Les effets stochastiques sont de même théoriquement possibles puisque l’énergienécessaire pour dissocier une liaison hydrogène est de l’ordre de 0,06 eV et donc du domainedes infrarouges (1,24 10 -3 à 1,6 eV).

En modifiant l’état thermique des molécules, on peut évidemment provoquer desmutations ou une cancérisation ultérieure par modification de la molécule d’ADN. Cependantaucun effet de ce type n’a jamais été mis en évidence.


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III - 2 - 2 ) Effets favorables

III - 2 - 2 - i ) imagerie médicale :

Pour mémoire, il faut rappeler une technique actuellement obsolète, la thermographiequi permettait de mesurer le rayonnement infrarouge émis par la peau, traduisant pour l’essentielune hypervascularisation. Pour donner des exemples :

- le pied d’un malade souffrant d’une artérite émet peu de rayonnementinfrarouge, il parait « clair »,

- le genou d’une patiente présentant une polyarthrite chronique évolutiveest beaucoup plus chaud, il parait « sombre »,

- une tumeur maligne superficielle (cancer du sein ou de la thyroïde) peutêtre détectée en raison de sa vascularisation importante.

III - 2 - 2 - ii ) thérapeutique :

- effet antalgique : l’augmentation de la température diminue la conductionnerveuse, d’où un effet limitant la douleur qui est appliqué en traumatologie et en rhumatologie.

- l’hyperthermie est un modificateur de la radiosensibilité cellulaire auxrayonnements ionisants. La diminution de la taille des tumeurs lors d’épisode fébrile estclassique. Le principe de l’association hyperthermie et radiothérapie semble judicieux,malheureusement l’augmentation de la radiosensibilité aux rayonnements ionisants est identiquepour les tissus sains ou cancéreux.

Le réchauffement tissulaire localisé avant radiothérapie par les infrarouges garde quelquesindications limitées par la faible pénétration tissulaire de ce type de rayonnement.

IV LES MICRO-ONDES

Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques souvent définies par leur fréquence,de 300 kilohertz à 300 mégahert, ou par leur longueur d’onde qui est comprise entre 1 mm et 1 m,ce qui correspond à une énergie photonique de 10 -3 eV à 10 -6 eV.

Ces valeurs sont vraies dans le vide, les micro-ondes qui pénètre dans un systèmebiologique voient leur longueur d’onde considérablement raccourcie, surtout pour des milieuxriche en eau. Il peut se produire de nombreux phénomènes selon les lois générales desrayonnements électromagnétiques, réflexion, réfraction, diffraction ou diffusion.

L a t h é o r i e d u d i p ô l eélectromagnétique a déjà été exposée. Onreprésente ci-contre les champs électriqueet magnétique à proximité du dipôle(antenne).


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+

-

x

z

y

et magnétique à proximité du dipôle(antenne).

Dans un milieu diélectrique, c’est lecas le l’eau donc des milieux biologiques,apparaît le phénomène de polarisation desatomes et la création d’un dipôle induit.

La permittivité du milieu ε ,augmente considérablement, par exemplepour l’eau,

ε eau = 80 . ε .

Il apparaît alors un déphasage entre la vibration de l’onde et le moment dipolaire induit,d’où l’existence d’une résistance au mouvement des particules et d’une déperdition calorifiquepar effet Joule.

Le milieu biologique se comportecomme le modèle reproduit ci-contre, unecapacité C est en parallèle avec unerésistance R , responsable d’unedissipation d’énergie.

Pour les milieux vivants, les micro-ondes interagissent essentiellement parmodification de l’état rotationnel desmolécules d’eau.

L’élévation de la température localeest de loin l’effet déterminant, mais on peutaussi imaginer l’induction de vibrationlongitudinale des molécules d’ADN et doncdes effets mutagènes.

C

R

V = V cos ω to

Dès que les mécanismes de compensation biologiques habituels sont dépassés, doncpour des exposition importantes, il peut apparaître des effets potentiellement dangereux.

Pour des fréquences assez précises, en raison du phénomène de résonance, et pour desintensités très fortes, de l’ordre de 200 Watt par m2 , il existe des effets cellulaires,chromosomiques et génétiques.

Actuellement les effets fondamentaux des différentes interactions sont peu connus, etcomme souvent les effets des faibles doses ne peuvent être mis en évidence, que ce soit pour unsujet isolé ou lors d’une approche épidémiologique.


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Les micro-ondes sont utilisées, comme les infrarouges pour provoquer une augmentationlocalisée de la température, c’est la diathermie.

V LES ONDES HERTZIENNES

Parmi les ondes hertziennes, les radiofréquences sont des ondes de faibles énergiesphotoniques et de très grandes longueurs d’onde.

Leur fréquence est de 300 kHtz à 300 MHz, leur longueur d’onde de 1 m à 3 km.

Tout ce qui a été dit sur les micro-ondes est valable pour ce domaine énergétique.Nous sommes constamment baignés dans ce champ électromagnétique qui est à la base

des radiocommunications, de l’utilisation du radar, de la télévision, etc.

Il s’agit bien entendu de l’irradiation du corps entier, les irradiations localisées à fortesdoses sont quasiment impossibles à étudier, l’introduction d’un organisme vivant dans le champperturbant ce dernier de façon considérable.

Bien des études épidémiologiques humaines ont été réalisées, en particulier par lesmilitaires qui utilisent d’intenses sources radar, aucun effet n’a été détecté.

S’il est utile, rappelons que la principale application des radiofréquences en médecineest celle de la fréquence de 42,6 MHz correspondant à une longueur d’onde de 7 m , soit uneénergie photonique de 0,2 10 - 6 eV (cf. Imagerie médicale, p. 131).

Un cas controversé : effet des très basses fréquences sur la santé

Ce cas mériterait un développement plus important étant donné la somme des travauxrécents sur ce sujet. Cependant les résultats sont concordants, bien qu’assez difficiles à exposer.

En pratique, on s’intéresse à l’effet biologique des champs électromagnétiques de trèsbasses fréquences ( 50 Hertz ) . Il s’agit bien entendu de l’effet des champs induits par lescourants alternatifs dans les lignes de transport et de distribution de l’électricité.

Une onde électromagnétique est une association d’un champ électrique qui existe dèsl’apparition d’une différence de potentiel et d’un champ magnétique qui apparaît lorsque lescharges électriques sont mises en mouvement.

Le champ est représenté géométriquement comme la somme de deux vecteursperpendiculaires se propageant dans la direction de l’onde (cf. Imagerie médicale, p. 78) :

- le champ électrique E dont l’amplitude est exprimée en volt par mètre

- le champ magnétique H exprimé en Tesla.


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En pratique, les unités sont le volt ou le kilovolt par mètre et le microtesla. ( kV / m et leµT ).

Comme pour tout rayonnement électromagnétique, l’intensité du rayonnement reçu suitla loi de l’inverse du carré de la distance ( loi en 1 / d 2 ).

L’irradiation est donc très dépendante de la distance par rapport à la source ( le tableaupage suivante donne quelques valeurs numériques représentatives ).

CE –> champ électriqueCM –> champ magnétique

Les données industrielles, domestiques et naturelles sont séparées.

INDUSTRIE au contact à 30 m à 100 m

ligne haute tension(90 000 V)

CE

CM

1000

10

100

1

10

0,1

ligne basse tension(220 V)

CE

CM

1,2

1,3

0

0

0

0

DOMESTIQUE au contact à 30 cm à 1 m

rasoir électrique CE

CM 1000 5 0,2

perceuse électrique CE

CM 800

40

3 0,1

télévision CE

CM

30

4 0,1

NATUREL beau temps orage

CE

CM

100

4

>15 000

4


____ Dr S. Coequyt 2005 ____________________________________________________ 82 ______

L’intense dispersion des amplitudes laisse présager la difficulté d’obtenir des résultatsexpérimentaux ou théoriques fiables.

Des pseudo-études scientifiques ont été énoncés, portant sur une augmentation de 7 casde leucémies ou d’astrocytome en excès pour environ 500 cas spontanés dans une population de420 000 sujets.

C’est la célèbre étude suédoise.

Son auteur concluait : « mais en ce qui concerne la relation directe, nous ne sommescertains de rien du tout ».

C‘est le moindre que l’on puisse dire.

Pour conclure, il est impératif pour un jugement médical correct, de se méfier desconclusions d’études épidémiologiques portant sur quelques unités de cas survenus en quelquesdizaines d’années dans une population de quelques dizaines de milliers de sujets.

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