RADIOPROTECTION CIRKUS

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1 RADIOPROTECTION CIRKUS Document technique Radioprotection Cirkus 8, rue du Valois, Les Ulis - contact@rpcirkus.org Association loi 1901 créée le 9 mars 2010 n W enregistrée à la sous-préfecture de Palaiseau Titre : Les rayons X,.et le plomb!!! Auteur : manu42 Version et date : v1-novembre 2010 Résumé : Faisons le point sur les protections plombées en médecine Les rayons X, et le plomb!!! Introduction Dans des temps reculés, les manipulateurs apprenaient que les tabliers plombés et autres protections étaient efficaces pour se protéger des rayons X, aussi bien pour eux que pour les patients. manipulateurs ou d (si, si). Je discute avec des manipulateurs à qui on a «appris» en formation radioprotection patients, - bilans de colonne totale ou membres inférieurs. Alo -il des protections plombées, ou des protections dites «sans plomb», en radiologie Sommaire I I.1 Le rayonnement de freinage... 3 I.2 Le spectre de raies... 5 I I.4 Effet photo électrique I.5 Effet Compton I.6 Création de paires I I II I.9 La radioprotection du personnel I.10 La radioprotection du patient I.11 : les rayons x et le plomb_v1 terminé Page 1 sur 26

2 Voici un petit rappel. I. fondamental Entrons dans le vif du sujet Qui parle de rayons X qui produit des rayons X - -mat qui ont lieu entre les rayons X. Figure 1 : Voici le tube : - Un tube à rayons X est constitué par une cathode (qui va émettre des électrons), une anode (cible métallique), les 2 sont placées dans une ampoule de verre où est réalisé un vide poussé. Entre ces deux éléments, anode-cathode, les électrons. - La cathode : filame courant qui le porte à incandescence. Cet échauffement entraîne l'émission d'un flux d'électrons qui croît avec l'intensité du courant de chauffage (effet thermoïonique). - L anode est en alliage de foyer. - La différence de potentiel : elle est de kv appliquée entre la cathode et l'anode. Le flux d'électrons représente un courant noté i qui augmente avec l'intensité du courant de chauffage. L'énergie cinétique des électrons accélérés est égale à U (ev). Les rayons X, et le plomb!!! Page 2 sur 26

3 : X émis! Revenons sur les processus d émission des rayons X Il y a deux types d'interactions entre les électrons accélérés et les noyaux ou les électrons de : - interactions avec les noyaux : nous obtiendrons un rayonnement de freinage (spectre énergétique continu) ;; - interactions avec les électrons : nous obtiendrons un rayonnement caractéristique (spectre de raies caractéristique de la cible). I. 1 Le rayonnement de freinage X en radiologie. Les électrons passant au voisinage du noyau atomique vont être attirés par la charge du noyau, ils sont freinés, déviés et émettront un rayonnement de freinage (appelé également bremsstrahlung). Les photons X émis par le rayonnement de freinage auront toutes les énergies, maximum qui leur a été transmise grâce à la différence de potentiel entre anode et cathode (E max ) On parle de faisceau polychromatique (ou polyénergétique). La probabilité de produire un rayon X de forte énergie est plus faible que la probabilité de produire un rayon X de faible énergie. Le spectre d'émission est donc décroissant avec l'énergie, Voici le spectre théorique qui existerait sans aucune filtration Avec i intensité du faisceau U tension accélératrice E énergie des photons Les rayons X, et le plomb!!! Page 3 sur 26

4 Voici le spectre dû au rayonnement de freinage avec la filtration inhérente au tube basse énergie sont absorbés par la paroi en verre du tube et les filtres (souvent 2,5 mm Al) oton X émis par rayonnement de freinage est fonction de la noyau, plus il transmet son énergie au photon X. Handbook of medical imaging: Physics and psychophysics Les rayons X, et le plomb!!! Page 4 sur 26

5 I. 2 Le spectre de raies tion des rayons X. Lors d'émission caractéristique, l'électron incident vient percuter un électron d'une couche d'un électron d'une couche plus périphérique déplacement est dû aux différences d'énergie de liaison entre les couches électroniques. La différence d'énergie de liaison entre les 2 couches se retrouve sous la forme de l'émission d'un rayon X. L'énergie de liaison des électrons étant unique pour chaque couche et chaque atome, le spectre d'énergie des rayons X émis est caractéristique de l'atome en question. Il s'agit d'une émission dont l'énergie ne dépend que de l'atome constituant la cible. P O 0,08 N M L K 12,1 12,0 11,5 9,3 2,8 2,7 2,2 0,60 0,52 69,5 69,4 68,9 66,7 57,4 Energie libérée (en kev) Les rayons X, et le plomb!!! Page 5 sur 26

6 Ainsi, un tube à rayons X émet simultanément, et indépendamment, un spectre continu et un spectre de raies. X sous une tension de 150 kv, ressemblerait donc à ceci : On ne retrouve sur le spectre raies L, M, N, O sont absorbées par les parois du tube et la filtration inhérente Jouons un peu avec les données : Voila : : (mammographe) avec les raies caractéristiques du Mo Les rayons X, et le plomb!!! Page 6 sur 26

7 : présent pour des énergies supérieures aux énergies de liaison des raies K. :, avec les kv constants, on va augmenter cathode et seul le nombre de photons émis variera, pas leur E max : Filtration aluminium Modification du spectre en fonction On parlera de «durcissement du faisceau» Handbook of Soyons attentifs aux courbes et aux unités! Les rayons X, et le plomb!!! Page 7 sur 26

8 : : Ici (en nm) Ici E (en kev) Plus les rayons x sont énergétiques et plus leur énergie exprimée en kev est élevée, et en nm ou est petite représenté avec 2 points de vue! électrons de 120 kv sur une (Courbes gracieusement mises à disposition via le RP CIRKUS par PSR B ) Les rayons X, et le plomb!!! Page 8 sur 26

9 ceau de rayons X L'énergie maximale des photons vaut : E max = e U Avec eu en Joule, e = 1, C et U= différence de potentiel appliquée aux bornes du tube En physique, l'électron-volt (symbole ev) est une unité de mesure d'énergie. Sa valeur est définie comme étant l'énergie cinétique d'un électron accéléré depuis le repos par une différence de potentiel d'un volt. Un électron-volt est donc égal à environ 1, joule (J). obtenue expérimentalement. Soit E max = U (avec U en ev) L énergie moyenne : La méthode Monte Carlo permet le calcul grâce à des techniques probabilistes, des énergies et des trajectoires électroniques et photoniques. Elle peut être utilisée pour réaliser une simulation des spectres de rayons X. résultats expérimentaux. e du faisceau de rayons X dépend de plusieurs facteurs (par exemple : matériau au rayonnement de freinage et au spectre de raies variera en fonction des kv. Avec une anode en faisceau. Cette contribution atteindra envir The Physical Principles of Medical Imaging). prépondérante. Les calculs conduisent à une énergie moyenne du faisceau en kev correspondant à la moitié de la tension choisie. X pour des différences de potentiel affichées de 60 kv à 140 kv, sur des tube sans filtration additionnelle, et avec une filtration additionnelle de 2 Al. e moyenne du faisceau (en kev). isceau. Les rayons X, et le plomb!!! Page 9 sur 26

10 This tool uses algorithms described in : An accurate method for computer-generating tungsten anode X-ray spectra from 30 to 140 kv;; Medical Physics 24(11), , 1997 Jennings: Molybdenum, rhodium, and tungsten anode spectral models using interpolating polynomials with application to mammography;; Medical Physics 24(12), , 1997 Spectral modeling and compilation of quantum fluence in radiography and mammography;; Proceedings of the SPIE 3336, , 1998 Les rayons X, et le plomb!!! Page 10 sur 26

11 En conclusion : Le faisceau de rayons X est polyénergétique, environ de ½ de kvp Par conséquent un faisceau de rayons X émis par un tube qui affiche une tension de 8O kv aura une E moy de 40 kev, mais il y aura des photons X avec E max de 80 kev. Et un faisceau de rayons X émis par un tube de scanner affichant la tension habituelle de 120 kv aura une E moy de 50 à 55 kev. Les rayons X, et le plomb!!! Page 11 sur 26

12 I. 3 Les Maintenant que nous connaissons sur le bout des doigts les caractéristiques du faisceau de photons X, traverse un milieu matériel, on constate une diminution progressive de son intensité. La diminution du nombre de photons, (ou atténuation du faisceau), correspond du milieu. : Une absorption par le milieu otoélectrique Une diffusion du faisceau, qui direction du faisceau initial Il existe un 3 haute énergie. I. 4 Effet photo électrique son énergie à un électron qui est alors éjecté de l'atome auquel il était lié. I état ex photon X est émis lors de cette transition (photon de faible énergie pour les atomes c organiques). L'énergie cinétique du photo-électron est égale à l'énergie du photon incident, moins l'énergie de liaison de l'électron. L'effet photoélectrique est supposé être le mécanisme principal de transfert d'énergie des rayons X et des rayons d'énergie inférieure à 50 kev. Il est beaucoup moins important à plus hautes énergies. La probabilité d'interaction par un effet photoélectrique est proportionnelle au cube du numéro atomique des atomes constituants le milieu. Les rayons X, et le plomb!!! Page 12 sur 26

13 I. 5 Effet Compton Lorsqu'un photon X passe à proximité d'un électron périphérique peu lié à l'atome, l'énergie du photon est en partie transmise à l'électron, pour arracher un électron périphérique photon X de moindre énergie et dont la direction d'émission est différente de la direction incidente du photon X d'origine. L'effet Compton est prépondérant dans les tissus organiques avec des photons X (ou de grande énergie. X et dans la gamme d'énergie entre 100 kev et 10 MeV. La diffusion Compton est relativement indépendante du. est devient grande par rapport à de électrique au dessus de 20 kev. kev ;; pour le plomb de 600 kev. de collision entre le photon initial. Le 500 kev. Les rayons X, et le plomb!!! Page 13 sur 26

14 Le photon diffusé émerge généralement dans une direction différente du photon incident. Il peut même partir rétrodiffusion). En moyenne il part avec un angle de 30 à 45. En conclusion, le photon diffusé Compton peut émerger dans toutes les directions et avec une énergie plus faible que le photon X incident. a : photons incidents de faible énergie b c : biophysique PCEM Exemples de distribution angulaire du photon diffusé (ci- (ci- Les rayons X, et le plomb!!! Page 14 sur 26

15 I. 6 Création de paires dépasse 1 MeV, la diffusion Compton commence à être concurrencée la création de paires. Le photon supérieure à 1,02 MeV) disparaît : il donne naissance à un électron et à son anti-particule, le positon. au voisinage d'un noyau atomique, l'énergie du photon incident peut spontanément être convertie en masse sous la forme d'une paire électron-positron. La production d'une telle paire nécessite une énergie supérieure à la masse au repos des particules qui la composent, soit 1,022 MeV et l'énergie excédentaire est transférée sous forme d'énergie cinétique à la paire formée. I. 7 L'électron produit est ionisant. : 10-8 secondes, il avec un autre électron ;; la masse totale de ces deux particules est alors convertie en deux photons de 0,511 MeV chacun. Les rayons X, et le plomb!!! Page 15 sur 26

16 La prépondérance de chacun de ces effets e La figure ci-dessus montre l'importance relative des trois effets en fonction de l'énergie du photon et du numéro atomique Z du milieu. L'effet photoélectrique est dominant à basse énergie. Pour les énergies in l'effet Compton qui domine. Pour les milieux de faible Z (carbone, air, eau, tissus humains), ce domaine est extrêmement large (de 20 KeV à 3 MeV). A haute énergie, c'est l'effet de production de paire qui est prédominant, il commence à le devenir à partir de 5 MeV dans les matériaux de Z élevé. Effet prédominant Energie incidente E Energie incidente E E < 50 kev Photoélectrique E < 500 kev 50 kev < E < 20 MeV Compton 500 kev < E < 1 MeV E > 20 MeV Création de paires E > 1 MeV Les rayons X, et le plomb!!! Page 16 sur 26

17 I. 8 aisceau va subir une atténuation qui dépendra de : Son énergie incidente La nature du matériau traversé The Physical Principles of Medical Imaging L'atténuation des rayons X suit une loi exponentielle décroissante sous la forme : I x = I o e -, où I o est l'intensité du faisceau de rayons X initiale et I x, l'intensité du faisceau à une distance x. La protection contre les rayons X n'est jamais totale et, quelle que soit l'épaisseur utilisée, il reste toujours une proportion, même infime de rayons X. Atténuation par le plomb des rayons X produits avec de tensions entre 50 et 150 kvp Atténuation par le béton des rayons X produits avec de tensions entre 50 et 150 kvp Les courbes ci- faisceau de rayons X pour des énergies photoniques différentes.! Voyons quelle recette nous allons préparer! Les rayons X, et le plomb!!! Page 17 sur 26

18 II. un élément incontournable. Le rayonnement primaire va : soit traverser le patient et être recueilli soit être totalement absorbé et déposer toute son énergie dans le patient (effet photo électrique), soit interagir avec le corps, perdre une partie de son énergie et être diffusé dans une autre direction (effet Compton) The Physical Principles of Medical Imaging I. 9 La radioprotection du personnel Radiologie conventionnelle, scanner, médecine nucléaire hors TEP Scan Je vous livre ici 2 études (réalisées par la société Promega, résultats complets disponibles sur le site de la société) Radiologie conventionnelle Conditions des mesures : Tabliers eq 0.5 mm Pb DFF 115 cm. Distance capteur centre du champ : 50 cm 2 mesures : au dessus et en dessous du tablier Intensité constante : 100 mas (standard au plomb) pour les gammes. En interventionnel, à haut kv, le pers Les rayons X, et le plomb!!! Page 18 sur 26

19 Médecine nucléaire Etant donné que photons est plus importante que celle des photons X, le rôle atténuateur du tablier plombé est moins marqué. 99m Tc énergie des photons : 140 kev 111 In énergie des photons et 245 kev Il reste néanmoins utile, par contre il faut veiller à ne pas utiliser des matériaux allégés en plomb ou sans plomb beaucoup moins efficaces. Les rayons X, et le plomb!!! Page 19 sur 26

20 Voici une étude sur la radioprotection du personnel au scanner : aiguille qui va éloigner la main du faisceau ainsi que de gants radio atténuateurs. La simulation avec méthode Monte Carlo permet de montrer la diminution du nombre de photons diffusés. scanner interventionnel et radioprotection : le concept» par Gellissen, Gehl, Weiss, Leibecke Les rayons X, et le plomb!!! Page 20 sur 26

21 Cas des gants radio atténuateurs stériles pour interventionnel voire dans le champ du rayonnement primaire. Source CD ROM MARTIR (Multimedia Audiovisual Radiation Protection Training in Interventional Radiology) - publication de la commission européenne Les atténuations des gants en latex plombés sont annoncées par les fabricants de 10 à 59 %, en fonction des marques et des épaisseurs proposées. Malheureusement, les mesures réalisées indiquent une atténuation de 0,87 % à 5,12 %. Ces gants risquent de conduire à un étude du réseau RaMIP» TEP Scan Le domaine des rayonnements émis en TEP Scan font de ce service un lieu particulier. 18 F ( de 511 kev et Pour se protéger des rayonnements de 511 kev, le personnel dispose de hottes plombées adaptée aux hautes énergies. Ces hottes ventilées ont des épaisseurs de 40 mm de plomb et une vitre plombée de 80 mm. Pour les injections, le personnel dispose de paravents plombés de 30 mm de s Les rayons X, et le plomb!!! Page 21 sur 26

22 I. 1 0 La radioprotection du patient Radiologie conventionnelle Les photons X s moyennes des faisceaux, ne sont pas extrêmement énergétiques. radiographies du bassin, de membres inférieurs ou de colonne totale, c'est-à-dire lorsque les gonades sont dans le champ primaire et informations diagnostiques importantes. Mais nt dans le champ primaire ou à moins de 5 cm du champ primaire, le dispositif aura son intérêt. Pb est tout à fait souhaitable. En effet, le plomb a une épaisseur de demi-absorption de l'ordre de 100 µm à 100 kev. Une épaisseur de 1 mm de plomb réduit la dose d'un rayonnement X de 100 kev d'un facteur Les rayons X, et le plomb!!! Page 22 sur 26

23 Scanner dans la protection du fœtus. Les tabliers de plomb utilisés ont été positionnés à la fois sur les côtés antérieur et postérieur du fantôme, en partan On a mesuré la dose fœtale mm avec des potentiels de tube de 80 kv, 100 kv, 120 kv et 140 kv. Figure 2 : Diagramme indiquant les trois sources de photons diffusés qui participent à la dose fœtale. Figure 4 : L montre que le rayonnement diffusé r 0,35mm de plomb. L diffusion interne était indépendante de plomb utilisée comme protection, est validée Nous recommandons que toute protection plombée couvre le patient à partir du bas du volume de dose en comparaison de ce qui peut être obtenu avec une même épaisseur de tablier utilisée en antérieur et en postérieur ;; cette solution réduira encore plus la gêne du patient. les scanners de la partie supérieure du corps. Les doses reçues par les organes situés sous la protection seront ilisés, le plomb est efficace et devrait rester un matériau de choix étant donné sa disponibilité commerciale généralisée. Modelling the effect of lead and other materials for shielding of the fetus in CT pulmonary angiography Griball, E. V. Kennedy, and D. S. rettle, Les rayons X, et le plomb!!! Page 23 sur 26

24 Une autre étude arrive aux mêmes conclusions : optimum pour le protocole angiographie pulmonaire est de 0,70 mm sur les 2 côtés, la protection plombée part juste en dessous du bord inférieur du champ. Une petite réduction de dose supplémentaire (4.6 %) a été mesurée utilisant un tablier de 1,05 mm sur les deux côtés, on l'a considéré négligeable comparé au poids supplémentaire. Une réduction de dose fœtale de 56,0 % a été calculée en utilisant les tabliers de 0,70 mm à 120 kvp et 200 mas. Il a été aussi calculé qu'approximativement 39,1 % de la dose fœtale mesurée pour le protocole angiographie pulmonaire sont dus à du diffusé Compton interne, pendant que 60,9 % de la dose sont dus à du rayonnement diffusé externe. Les mesures réalisées en profondeur au niveau du fœtus ont montré que l'utilisation de protections plombées externes pas provoqué dose en profondeur. La mesure de la variation de dose absorbée en profondeur a infirmé l la protection plombée augmente le diffusé Compton et conduit à une dose plus importante au fœtus. On consid que la diffusion de Compton secondaire, due au port de la protection plombée, est négligeable et contribue pour moins de 1% à la dose fœtale. : Lead Apron Shielding for Fetal Dose Reduction during CT Pulmonary Angiography Julie Palmer -Department of Physics-University of Surrey-September 2008 Je vous propose cette autre étude réalisée avec des protections plombées et des : Dans cette étude de taille différente pour figurer le 2 trimestre et le 3 trimestre de grossesse, pour le 1 er trimestre Utilisation de protections plombées standard 0, protection dite sans plomb RADPAD (bismuth-antimoine) (6 cm pour les mesures au 1 er trimestre, 8 cm pour le 2 nd et 9 cm pour le 3 ). Dose moyenne au fœtus à chaque trimestre lors de scanners à 100 kv. La réduction de la dose pour chaque trimestre en utilisant les deux types de protections est également Les rayons X, et le plomb!!! Page 24 sur 26

25 Dose moyenne mesurée par TLD dans les 5 emplacements utilisés au cours du 3 e trimestre. Le graphique est superposé à une image de volume 3D reformaté à partir d'un balayage hélicoïdal sur le fantôme pubien au point E sous diaphragmatique). Les doses relevées les plus élevées sont bien entendu au niveau sous diaphragmatique pour un scanner pulmonaire. soit plus efficace que la protection RADPAD à 120 kvp, il y a chevauchement des doses mesurées avec plomb ou protection RADPAD pour un examen réalisé à 100 kvp. : smuth-antimony Shield for Fetal- Dose Reduction at Different Gestational Ages for CTPA Chatterson LC *, Leswick DA*, Webster ST**, Hunt MM **, Fladeland DA* Department of Radiology;; Royal University Hospital, University of Saskatchewan;; Saskatoon, Saskatchewan, Canada **Radiation Safety Unit;; Saskatchewan Ministry of Advanced Education, Employment and Labour;; Saskatoon, Canada attentif au placement de protections plombées au scanner. Il est y compris traversées ceci pour une meilleure régulation des mas, analyseront cette atténuation plombée et «effet tunnel» ou de «tunnellisation», aucune information chiffrée! Les rayons X, et le plomb!!! Page 25 sur 26

26 I. 1 1 : «Est- il utile de protéger le patient du rayonnement diffusé avec un tablier plombé lorsqu on lui réalise un examen radiologique ou scanographique? En radiologie conventionnelle comme en scanographie, la protection d une zone sensible avec un tablier de protection équivalent plomb n a de réel intérêt dosimétrique que si le champ exposé est proche de la zone à protéger. Bien sûr, cette protection peut être rassurante pour le patient ou ses parents (et servir de contention pour les tout- petits), donc vous pouvez la mettre dans tous les cas à la condition qu elle ne nuise pas à l information diagnostique. A plus grande distance du faisceau, la dose est essentiellement due au rayonnement diffusé dans le patient, qu on ne peut pas atténuer. Mais là encore le tablier peut être rassurant et bien utile comme moyen de contention Des mesures réalisées sur fantôme anthropomorphe ne nous ont pas permis de mettre en évidence un «effet tunnel» (réflexion par le tablier des rayons X diffusé dans le patient et augmentation de la dose liée à l utilisation du tablier) qui est parfois évoqué. Par exemple, en radiologie conventionnelle une protection plombée sur les testicules d un petit garçon est utile pour un examen abdominal (mais attention à ce que le tablier ne cache pas une partie de la zone d intérêt, ce qui conduirait à devoir refaire le cliché : cas de la radiographie du bassin) mais inutile pour un examen du crâne. En scanographie, entourer le patient d un tablier de protection a de l intérêt, exemple chez l enfant ou lors d un examen thoracique chez une femme enceinte, le fœtus étant alors très proche de la zone examinée. Comme dans l exemple supra cité, attention à ce que le tablier plombé ne cache pas une partie de la zone d intérêt : disparition des culs de sac pleuraux dans le cas du scanner pulmonaire. Attention toutefois, l utilisation d une protection sur le patient ne dispense pas les manipulateurs d appliquer les bonnes pratiques d optimisation : collimation du champ, réduction du temps de scopie au strict nécessaire, adaptation des kv et des mas En scanographie, l utilisation d une protection équivalent plomb ne doit pas perturber le système de régulation de courant. En conclusion, la protection du patient est avant tout une question de bon sens.» Médecine nucléaire, y compris TEP Scan devient injection/ou inhalation/ou i, du choix par le médecin du dosage ou du type de radioélément utilisé. Les rayons X, et le plomb!!! Page 26 sur 26