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Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF – [email protected]
Xp
n
Artificiels
Naturels
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cél
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teu
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US
RF
UV
IR
onde radio
µ-onde
PhotonCorpuscules
1
10-3
10-6
103
106
eV
A1. Nature des rayonnements
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Vallée de stabilité
Nombre de protons
Nombre de neutrons
CO
Ne
PbZ trop élevé : émission
Excès de protons : émission CE
Excès de neutrons :émission
CE = capture électronique
Origine des rayonnements alpha, beta, gamma
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Désintégration
Nombre de protons
Nombre de neutrons
CO
Ne
Pb
Ra
: 2 protons et 2 neutrons
électron
positon
F
Mo
Rn
Po
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Les rayonnements alpha et beta
Les rayonnements et 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 .
Le noyau fils Y peut être lui-même instable et se désintégrer à son tour (filiation radioactive).
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Principalement, le rayonnement interagit en cèdant son énergie à la matière qu’il rencontre.
Nous allons donc insister sur les principales interactions :Rayonnement matériel, cas du
• 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
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Ionisation alpha vs matière
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Interaction du rayonnement alpha avec la matière
La particule 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 -noyau est très faible.
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Ionisation beta vs matière
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Excitation
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Fluorescence X
Désexcitation
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X de freinage
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Interaction du rayonnement beta avec la matière
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
rel
ativ
e
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Cas particulier du + : l’annihilation
Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF – [email protected] le + probable photon-atome : rien !
Photon vs matière
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Diffusion Compton
Le photon est dévié, cédant de l’énergie à l’électron.
Effet Compton
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Exemple de la diffusion Compton
(d’après projet MARTIR)
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Ionisation
Toute l’énergie du photon devient énergie cinétique de l’électron.
Effet photoélectrique
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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
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Exemple d’utilisation de la diffusion Compton et de l’effet photoélectrique
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Substrat de Verre
Matrice enSilicium Amorphe
Lignes de Contactsur 3 CotésContacts Principaux
et Electronique de Lecture
Scintillateur(Iodure de Césium)
Le capteur plan
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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 prépondérant dans le milieu médical.
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Pénétration dans la matièreTransfert d’énergie linéique
:
:
photon :
proton :
Libre parcours moyen
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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.
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A3. Comparaison des activités et expositions naturelles et artificiellesIrradiation naturelle (2,4 mSv/an) Irradiation artificielle (1,3 mSv/an)
11 %
37 %
13 %
7 %
31 %
0,5 %
0,5 %
cosm
iqu
e
rad
on
tellu
riqu
e
alim
en
tatio
n
reje
ts a
tmo
sph
ériq
ue
sim
ag
erie
mé
dic
ale
tub
e c
ath
od
iqu
e
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A4. Exposition : grandeurs et unités
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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 = (DT wR wT)
J. kg-1
air fluence particules / m2
effet biologique(individu)
source activité At becquerel ( Bq ) ou mA s-1
DT = dE /dm E = (HT wT)
wR : facteur de pondération radiologique, tient compte de la nature du rayonnement
wT : facteur de pondération tissulaire, tient compte de la radiosensibilité propre de chaque tissu ou organe
Grandeurs mesurables. Grandeurs réglementaires.Grandeurs rationnelles.
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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.
Facteur de pondération pour les rayonnements
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Type et domaine d’énergie wR
Photons, toutes énergies 1
Électrons, toutes énergies 1
Neutrons, énergie < 10 keV
10 keV à 100 keV
> 100 keV à 2 MeV
2 MeV à 20 MeV
> 20 MeV
5
10
20
10
5
Protons, énergie > 2 MeV 5
Alpha, toutes énergies 20
CIPR 60
Facteur de pondération selon le rayonnement
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0,01 Peau0,01 Cerveau0,01 Glandes salivaires0,01 Surfaces osseuses0,04 Thyroïde0,12 Poumon0,12 Seins0,04 Oesophage0,12 Estomac0,04 Foie0,12 Côlon0,04 Vessie0,08 Gonades0,12 Moelle osseuse rouge0,12 moy tissu restant(muscle, cœur, rein, surrénales, vés. biliaire, pancréas, grêle, thymus, rate, utérus/prostate muq buccale, gg lymph.)
= 1
Facteur de pondération tissulaire
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A nombre d’ionisations égal, 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 à l’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
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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 probabilité d’apparition de détriments qu’une exposition du corps entier de :
12 mSv (= 100 x 0,12)
Dose efficace
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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
unités arbitraires
Il y a dose et dose. Exemple.
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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.
Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF– [email protected] N Hidajat et al, Berlin, BJR vol 72
Facteur de conversion PDL -> dose efficace
Dose efficace/PDL mSv/(mGy.cm)
<1an 1 an 5 ans 10 ans adulte
Tête 0.011 0.0067 0.004 0.0032 0.0021
Tête+Cou 0.013 0.0085 0.0057 0.0042 0.0031
Cou 0.041 0.029 0.026 0.012 0.012
Thorax 0.094 0.062 0.043 0.029 0.014
Abdo & Pelvis
0.118 0.072 0.048 0.032 0.015
Tronc 0.106 0.067 0.046 0.032 0.015
Jambes 0.008
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Valeurs des NRD en TDM adulte
Type d’examenCTDIvol (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 mGy vers le mSv
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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.