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Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF 14/01/2010

A1. Nature des rayonnements

α β− γ

Xp

n

β+

ArtificielsNaturels

Acc

élér

ateu

rs

US

RF

UV

IR

onde radio

µ-onde

PhotonCorpuscules

1

10-3

10-6

103

106

eV


Vallée de stabilité

Nombre de protons

Nombre de neutrons

CO

Ne

U Z trop élevé : émission α

Excès de protons : émission β+, CE

Excès de neutrons :émission β−

CE = capture électronique

Origine des rayonnements α,β,γ


Nombre de protons

Nombre de neutrons

CO

Ne

UU

α

α : 2 protons et 2 neutrons

β+

β−

β− : 1 électronβ+ : 1 positon

F

Mo

Radionucléides


Les rayonnements α et β

Les rayonnements α et β sont issus des désintégrations nucléaires de noyaux instables.

Ces désintégrations sont presque toujours suivies, après un temps très variable, d’une désexcitation.

Le noyau fils Y se désexcite en émettant un photon, appelé photon γ.

Le noyau fils Y peut être lui-même instable et se désintégrer à son tour (filiation radioactive).


Principalement, le rayonnement interagit en cèdant son énergie àla matière qu’il rencontre.Nous allons donc insister sur les principales interactions :

Rayonnement matériel, cas du β• Avec le noyau• Avec le cortège électronique

Rayonnement lumineux• Effet photoélectrique• Effet Compton

Les explications seront très schématiques.

A2. Interaction des rayonnements ionisants avec la matière


Ionisation

α vs matière


Interaction du rayonnement α avec la matière

La particule α est massive et fortement chargée (2+), elle va très fortement interagir avec les couches électroniques de la matière qu’elle traverse.

En cédant peu à peu son énergie cinétique, elle est ralentie.

A chaque fois, l’énergie cédée va permettre une ionisation.

Le noyau étant entouré par les couches électroniques, la probabilité d’interaction α-noyau est très faible.


Ionisation

β vs matière


Excitation


Désexcitation

Fluorescence X


β X de freinage


Interaction du rayonnement β avec la matière traversée

3 cas de figures possibles :Perte de l’énergie cinétique de l’électron incident sans interaction notable (chaleur),Interaction avec le noyau et rayonnement X de freinage.Interaction avec les électrons des atomes (Compton et ionisation), raies caractéristiques.

0 50 100 150Energie (keV)

Inte

nsité

rela

tive


Cas particulier du β+ : l’annihilation

β+


Photon vs matière

Cas le + probable photon-atome : rien !


DiffusionCompton

Effet Compton

Le photon est dévié, cédant de l’énergie à l’électron.


Exemple de la diffusion Compton

(d’après projet MARTIR)


IonisationEffet photoélectrique

Toute l’énergie du photon devient énergie cinétique de l’électron.


La probabilité de l’interaction varie avec l’énergie du photon.

Energie du photon (keV)

Probabilité (%)

1 10 100 1 000 10 000 100 000

Photoélectrique Diffusion Compton Production de paire

Imagerie médicale AccélérateursMédicaux

Détecteurs


Exemple d’utilisation de la diffusion Compton et de l’effet photoélectrique


Substrat de Verre

Matrice enSilicium Amorphe

Lignes de Contactsur 3 CotésContacts Principaux

et Electroniquede Lecture

Scintillateur(Iodure de Césium)


En résumé, le photon et la matière

Interaction avec le noyau de l’atome traversé : Pas d’effet notable en radiologie,Réaction (X,n) en radiothérapie 25 MeV.

Interaction avec l’électron : En fonction de l’énergie cédée par le photon.L’effet de production de paire est un cas particulier négligeable dans le domaine médical. Il correspond à la conversion de l’énergie en matière (E=mc²), ici la création d’un électron et d’un positon. Il faut que E>1022 keV.L’effet Compton est le plus prépondérant dans le milieu médical.


Pénétration dans la matièreTransfert d’énergie linéique

α :

β :

photon :

proton :

Libre parcours moyen


En résumé :

Quelque soit le rayonnement, l’interaction dépend de l’énergie cédée à l’électron du cortège

Si l’énergie est insuffisante, désexcitation par émission d’un photon X / UV / visible.Si l’énergie est suffisante, ionisation de l’atome.

D’où la définition du rayonnement ionisant. Pour l’eau >13,6 eV.


A3. Comparaison des activités et expositions naturelles et artificielles

Irradiation naturelle (2,4 mSv/an) Irradiation artificielle (1,3 mSv/an)

11 %

37 %

13 %

7 %

31 %

0,5 %

0,5 %

cosm

ique

rado

n

tellu

rique

alim

enta

tion

reje

tsat

mos

phér

ique

sim

ager

ie m

édic

ale

tube

cath

odiq

ue


A4. Exposition : grandeurs et unités


Rayonnements ionisants : grandeurs dosimétriques

tissu (ou organe) T organisme

énergie transmise

dose absorbée DT

J. kg-1 gray ( Gy )

effet biologique(organe)

dose équivalente HT

HT = DT × wR

sievert ( Sv )

dose efficace E

E = Σ (DT × wR × wT)

J. kg-1

air fluence Φ particules / m2

effet biologique(individu)

source activité At becquerel ( Bq ) ou mA s-1

DT = dE /dm E = Σ (HT × wT)

wR : facteur de pondération radiologique, tient compte de la nature du rayonnement

wT : facteur de pondération tissulaire, tient compte de la radiosensibilitépropre de chaque tissu ou organe

Grandeurs mesurables. Grandeurs réglementaires.Grandeurs rationnelles.


Facteur de pondération pour les rayonnements

A dose absorbée égale, la probabilité d’apparition d’effets aléatoires varie :

selon la distribution des ionisations dans le tissu,Donc de la nature et de l’énergie du rayonnement, par exemple son transfert linéique d’énergie (TLE).

Pour intégrer ce paramètre, on va pondérer la dose absorbée par un facteur lié à la nature du rayonnement aussi bien pour un champ de rayonnement externe que pour un radionucléide incorporé.

C’est le facteur de pondération pour les rayonnements, wR.


Type et domaine d’énergie wR

Photons, toutes énergies 1Électrons, toutes énergies 1Neutrons, énergie < 10 keV

10 keV à 100 keV> 100 keV à 2 MeV

2 MeV à 20 MeV> 20 MeV

51020105

Protons, énergie > 2 MeV 5Alpha, toutes énergies 20

Facteur de pondération selon le rayonnement

CIPR 60


0,01 Peau0,01 Surfaces osseuses0,05 Thyroïde0,12 Poumon0,05 Seins0,05 Oesophage0,12 Estomac0,05 Foie0,12 Côlon0,05 Vessie0,20 Gonades0,12 Moelle osseuse rouge0,05 Reste de l ’organisme

Facteur de pondération tissulaire

Σ = 1


A nombre d’ionisations égales, avec le même rayonnement, les tissus n’ont pas la même radiosensibilité.

On a donc besoin d’une nouvelle grandeur, dérivée de la dose équivalente, pour quantifier les effets stochastiques àl’échelle de l’individu, ensemble de tissus différents.

Le facteur par lequel la dose équivalente est pondérée est appelé :

facteur de pondération pour les tissus, wT.

Ce facteur représente la contribution d’un tissu au détriment total encouru par l’individu.Cette contribution est la probabilité relative des effets pour chaque tissu, si tout le corps est exposé de manière homogène.

Facteur de pondération tissulaire


Dose fictive, qui serait administrée de manière homogène au corps entier.

Elle mesure la probabilité d’effets stochastiques, (les effets déterministes sont mesurés en Gy)

Une dose efficace correspond toujours à une estimation corps-entier : des doses efficaces égales indique la même probabilité d’effets stochastiques.

Exemple : le facteur de pondération tissulaire des poumons est estimé à 0,12. Une exposition uniquement des poumons de 100 mSv équivaut à la même probabilitéd’apparition de détriments qu’une exposition du corps entier de :

12 mSv (= 100 x 0,12)

Dose efficace


AVANTAGES+ Quantifie le risque à l’échelle de l’individu,+ Comparaison possible quelle que soit le type d’exposition,

la modalité d'imagerie ou la région examinée,+ Possibilité d'additionner des doses efficaces issues

d’examens différents , ....+ Utile dans une estimation de cas dans la population.

INCONVENIENTS− Grandeur estimée, avec une incertitude,− Difficilement accessible en routine,− La valeur dépend des coefficients wT pouvant être

modifiées dans le temps (ex seins),− Les coefficients wT ne reflète pas les variabilités patient

(âge, sexe, prédisposition ....).

Dose efficace


Activité :Fluence au côlon :

Dose absorbée à l’abdomen :Dose équivalente à l’abdomen

Contribution de l’abdomen à la dose efficace:Dose efficace :

96 / surface5 (au +)5 * 1 = 55 * 0,12 = 0,65 * 0,12 + 1 * 0,05 = 0, 65

Il y a dose et dose. Exemple.

unités arbitraires


Les unités en résumé :Le terme de dose peut exprimer 3 concepts :

l’énergie déposée dans le milieu (dose absorbée),la façon dont le tissu est irradié (dose équivalente),le risque à long terme pour l’individu (dose efficace).

On ne sait mesurer que la dose absorbée.Les doses ‘en sievert’ (= équivalente ou efficace) sont estimées en choisissant des facteurs de pondération grossiers et en faisant des calculs.Les limitations réglementaires de l’exposition sont données en terme de dose efficace.Les expositions du patient à l’issue d’un examen est donnée en dose absorbée.


Facteur de conversion PDL -> dose efficace

N Hidajat et al, Berlin, BJR vol 72


Valeurs des NRD en TDM adulte

Type d’examen CTDIvol(mGy) PDL (mGy.cm) Dose efficace

E (mSv)

Tête 58 1050 3

Thorax 20 500 7

Abdo 25 650 10

Pelvis 25 450 7

18 cm

18 cm

25 cm

25 cm

Du Du mGymGy vers le vers le mSvmSv


Conclusion

La radioprotection utilise de nombreux termes très précis.Pour les mesures et les calculs, elle repose beaucoup sur la physique des rayonnements.Les modèles de rayonnement, les unités utilisées ne sont donc que des outils, manipulés avec plus ou moins de bonheur.Ils ne doivent pas escamoter le bon sens et la connaissance du terrain, mais venir en complément.

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Production des rayonnements XLe tube RX c’est :

1. une cathode, responsable de l'émission des électrons,2. un champ électrique, accélérant les électrons,3. une anode, source de production des photons RX. 4. le tube est une enveloppe protectrice assurant le vide et une

isolation électrique,5. le tube est doublé d’une gaine limitant l’irradiation à une direction,6. un filtre coupe les RX de basse énergie dans le champ de vue.7. un collimateur mobile (diaphragme) pour limiter le champ de vue.

(5, 6 et 7 non représentés sur la photo)

e-i

HT


mAs et kV

Les paramètres du faisceau sont :le nombre de photons (mAs) l’énergie maximale (kV).

La dose varie de façon linéaire avec les mAs (mAs /2 => Dose /2) alors que les kV suivent une loi parabolique.Baisser les mAs baisse le contraste, compensable en partie en augmentant la luminosité, donc les kV.

Rayonnement de freinage

Emission caractéristique

0 50 100 150Energie (keV)

Nom

bre

de p

hoto

ns

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