I) Radiations ionisantes

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1 I) Radiations ionisantes Le but de cette première leçon est de rappeler quelques notions de base, telles que la constitution de la matière et la notion d'énergie. Les mécanismes d'émission de radiations par l'atome ou le noyau, seront brièvement abordés. Suivra une description de l'onde électromagnétique, de ses propriétés et de ses diverses "formes" dont le rayonnement X. Les diverses sources de radiations (naturelles et artificielles) seront aussi décrites. Quelques notions de base de la description des radiations clôtureront ce chapitre, à savoir la manière de quantifier le rayonnement, la notion de spectre énergétique et la variation de l'intensité du rayonnement en fonction de la distance à la source. 1. Constitution de la matière et notions d'énergie (rappel) Quelles sont les particules qui composent la matière et comment sont-elles organisées? La matière est composée d'électrons, de protons et de neutrons. Les électrons forment le nuage électronique. Les protons et les neutrons forment le noyau de l'atome Quelles sont leur masse, leur charge, leur dimension? Les masses du proton et du neutron sont à peu près égales ; elles sont 1800 fois plus grandes que celle de l'électron. La charge du proton est positive et celle de l'électron est négative ; cette charge est appelée charge élémentaire : "e". La dimension du noyau est de l'ordre du femtomètre (= ) et celle de l'atome du dixième de nanomètre (= ). Comment nomme-t-on les atomes? Les atomes sont nommés selon le nombre de protons contenus dans leur noyau. Ce nombre est appelé le "numéro atomique". Le symbole du numéro atomique est "Z". Le nombre de protons et de neutrons contenus dans le noyau est appelé le "nombre de masse". Le symbole du nombre de masse est "A". On désigne un atome en donnant son nom et son nombre de masse (exemple : 6 protons = carbone ; 13 C ; carbone -13 (contenu du noyau : 6 protons et 7 neutrons)). Qu'est-ce que l'énergie et quelles sont ses unités? L'unité de l'énergie dans le système international est le joule (J) ; on utilise en radiologie l'électronvolt (ev) : 1 ev = 1, J ; c'est l'énergie acquise par un électron soumis à une différence de potentiel de 1 V. Quelles sont les différentes formes d'énergie? Il existe de nombreuses formes d'énergie : mécanique, électrique, cinétique, potentielle, thermique, de masse (E = mc 2 ). Qu'est-ce que l'énergie de liaison et combien vaut-elle pour les électrons dans l'atome et pour les nucléons dans le noyau? L'énergie de liaison dépend de la force qui lie les particules entre elles. Elle est de l'ordre de: 10 ev pour un électron de valence (électrons de la couche externe de l'atome), de 10 MeV pour un nucléon (protons et neutrons). Page 1

2 Il faut des énergies très importantes (de l'ordre du méga-électron.volt - 1'000'000 ev ou MeV ou 10 6 ev) pour modifier la structure d'un noyau (et le rendre par exemple radioactif). En revanche, une énergie de seulement 10 ev est suffisante pour arracher un électron qui se trouve à la périphérie du cortège électronique. 2. Désexcitation, désintégration et radiations ionisantes Comment le cortège électronique se débarrasse-t-il d'un surplus d'énergie? (passage d'un niveau d'énergie élevé - "état excité" - au niveau d'énergie le plus bas possible - "état fondamental") Les électrons éliminent leur surplus d'énergie en émettant des ondes électromagnétiques (photons X - encore appelés rayons X, ou photons lumineux). On notera que lorsque qu'il manque un électron sur une couche profonde du cortège électronique l'atome se trouve dans un état excite. Qu'est-ce qu'une radiation ionisante? Les radiations sont dites ionisantes lorsqu'elles sont capables, lors de leur passage à travers la matière, d'arracher un électron à un atome (ionisation). Ceci peut se faire en une seule étape (on parle alors de radiations directement ionisantes) ou nécessiter deux étapes (on parle alors de radiations non directement ionisantes). Les particules chargées sont directement ionisantes alors que les rayons X sont des radiations non directement ionisantes. Ils mettent des électrons en mouvement dans la matière et ce sont ces électrons qui déposent l'énergie dans le milieu. 3. Description de l'onde électromagnétique et notion de spectre Qu'est-ce qu'une onde électromagnétique et comment se comporte-t-elle? L'onde électromagnétique est une oscillation d'un champ électrique et magnétique. Sa masse et sa charge sont nulles. L'onde électromagnétique se déplace à la vitesse de la lumière et transporte de l'énergie. Quelles relations existe-t-il entre la longueur d'onde, la fréquence et l'énergie transportée par l'onde électromagnétique? La vitesse de l'onde électromagnétique dans le vide ("c") est constante et vaut 300'000 km/s. Il existe une relation simple entre l'énergie (E), la fréquence (ν) et longueur d'onde (λ) d'une onde électromagnétique. Quels sont les différents domaines des ondes électromagnétiques? Les ondes électromagnétiques sont classées en trois domaines: Les ondes radio : elles sont de faible fréquence et comprennent les différentes ondes radio et les ondes millimétriques. Ce sont des radiations non ionisantes. Elles sont utilisées par exemple en imagerie par résonance magnétique (énergie < 0,01 ev). Les ondes optiques : leur longueur d'onde est située dans le domaine du micromètre ; elles comprennent les infrarouges, la lumière visible et le rayonnement ultraviolet. Ce sont aussi des radiations non ionisantes dans le domaine de l'infrarouge ou du visible, mais elles peuvent être ionisantes dans le domaine des UV (énergie comprise entre 0,01 et 10 ev) Page 2

3 Les radiations ionisantes : leur énergie est bien supérieure à 10 ev ; elles comprennent les rayons X et sont, sans aucun doute, ionisantes. Comment tient-on compte du fait que, dans le rayonnement, les radiations n'ont pas toutes la même énergie? La distribution de l'énergie des rayons X constitue ce que l'on appelle le "spectre énergétique". Ce spectre peut être discret (par exemple un faisceau où tous les rayons X ont la même énergie) ou continu. 4. Sources de radiations ionisantes Quelles sont les sources naturelles de radiations ionisantes? On distingue, parmi les sources naturelles de radiations, le rayonnement cosmique et le rayonnement terrestre. Quelles sont les sources artificielles de radiations ionisantes? On distingue, parmi les sources artificielles de radiations, les tubes à rayons X, les accélérateurs, les réacteurs et les sources radioactives. 5. Quantité de radiations Comment quantifier un champ de radiations (ou définir la quantité de rayonnement en un point)? La quantité de rayonnement en un point est caractérisée par la fluence (par exemple le nombre de rayons X par unité de surface ; m -2 ). 6. Loi du carré de la distance Comment le rayonnement diminue-t-il quand on s'éloigne d'une source? Dans le cas d'une source ponctuelle, le rayonnement diminue avec le carré de la distance à la source. Ainsi, si on double sa distance par rapport à une source, le rayonnement diminue d'un facteur 4. Page 3

4 II) Interaction de la radiation avec la matière et dosimétrie Le but de cette deuxième leçon est de décrire comment les radiations interagissent avec la matière. Les interactions dépendent fondamentalement si la particule est chargée ou non. Pour ce cours, on se limitera à décrire les interactions des électrons et des rayons X avec la matière. Ces chapitres permettent de comprendre comment on peut produire des rayons X et aussi comment l'énergie est déposée dans le tissu lors d'un examen radiologique. 1. Mécanismes d'interactions Comment un faisceau d'électrons (rayonnement directement ionisant) interagit-il avec la matière et quel est le résultat de ces interactions sur le trajet des électrons dans la matière? L'interaction des électrons dans la matière est caractérisée par beaucoup de petites interactions avec les atomes du milieu que traverse le faisceau d'électrons. Ceci conduit à un freinage continu des électrons avec un parcours fini dans la matière. Comment les rayons X (rayonnement non directement ionisant) interagissent-ils avec la matière et quel est le résultat de ces interactions dans la matière? L'interaction des rayons X est caractérisée par de longs parcours sans interaction, par des modifications majeures d'énergie et de direction lors des interactions qui sont aléatoires. Ceci conduit à une atténuation exponentielle. 2. Interaction d'un faisceau d électrons avec la matière Concrètement que fait un faisceau d'électrons lorsqu'il traverse la matière? La perte d'énergie d'un faisceau d'électrons dans la matière produit des phénomènes d'excitations et d'ionisations. Du rayonnement de fluorescence peut être produit à la suite du mécanisme d'ionisation. Lorsque le faisceau d'électrons interagit avec un matériau de numéro atomique (Z) élevé, il y a aussi production de rayonnement de freinage. C'est ce mécanisme qui est utilisé pour produire des rayons X en radiologie. Comment l'énergie est-elle déposée? Les électrons sont freinés dans la matière de manière continue puis finalement arrêtés. Dans le tube à rayons X le freinage des électrons sera associé à un chauffage important des éléments du tube à rayons X, et bien sûr, à la production de rayons X. Ces rayons X vont ensuite intéragir dans le patient en ionisant le tissu (mise en mouvement des électrons des atomes du tissu). Le parcours de ces électrons sera très court (de l'ordre du dixième de mm). 3. Action des rayons X sur la matière Comment les rayons X sont-ils atténués dans la matière? Pour décrire l'atténuation des rayons X on utilise le coefficient d'atténuation linéique, μ (cm -1 ) ; qui correspond à la fraction du rayonnement qui subit une interaction par unité d'épaisseur de matière traversée. Plus ce coefficient est élevé plus l'atténuation est rapide. Page 4

5 Quels sont les mécanismes principaux d'interaction des rayons X avec la matière? Aux énergies du radiodiagnostic, les mécanismes d'interaction des rayons X sont les suivants : l'effet photoélectrique : absorption du photon par un électron atomique. la diffusion Compton : diffusion inélastique du photon par un électron atomique. la diffusion Thompson-Rayleigh : diffusion élastique du photon. 4. Action des rayons X en radiodiagnostic Comment varie la probabilité de l'effet photoélectrique avec le numéro atomique du milieu et avec l'énergie de la radiation? L'effet photoélectrique correspond à l'absorption d'un rayon X avec transfert de son énergie à un électron situé sur une couche profonde du cortège électronique d'un atome. Il est important pour les matériaux de numéro atomique (Z) élevé et pour les basses énergies. C'est le mécanisme prépondérant des rayons X dans le tissu osseux. Comment varie la probabilité de la diffusion Compton avec le numéro atomique du milieu et avec l'énergie de la radiation? L'effet Compton est une diffusion inélastique d'un rayon X sur un électron du cortège électronique d'un atome. Cet effet est relativement indépendant du numéro atomique (Z) du matériau et de l'énergie du rayon X incident pour les énergies utilisées en radiologie. C'est le mécanisme prépondérant des rayons X avec le tissu mou. Comment varie la probabilité de la diffusion de Thompson-Rayleigh avec le numéro atomique du milieu et avec l'énergie de la radiation? La diffusion Thompson-Rayleigh est une diffusion élastique d'un rayon X incident. Elle est importante pour les matériaux de haut numéro atomique (Z) et pour les basses énergies des rayons X. Elle ne joue toutefois jamais un rôle prépondérant en radiologie. Il n'y a pas de dépôt d'énergie au sein du tissu puisque c'est un mécanisme de diffusion élastique. 5. Atténuation du rayonnement X Quel est le résultat global des interactions sur le faisceau de rayons X? L'atténuation des rayons X est exponentielle. La transmission est égale à e- μx. La couche de demi-atténuation (CDA) est inversement proportionnelle à μ (CDA = ln 2 / μ) Comment varie le coefficient d'atténuation avec l'énergie de la radiation, le numéro atomique et la densité du matériau? Le coefficient d'atténuation (μ), qui prend en compte l'ensemble des interactions, dépend de l'énergie (E) des rayons X, du numéro atomique (Z) et de la densité (ρ) du milieu : μ(e, Z, ρ). Il est élevé aux basses énergies et pour les matériaux de Z élevé. Page 5

6 6. Métrologie des radiations ionisantes : de la dose absorbée Que se passe-t-il dans la matière quand elle est traversée par des radiations? Dans la matière, les rayons X (radiations non directement ionisantes) produisent des électrons (particules chargées directement ionisantes) qui, le long de leurs trajectoires, produisent des ionisations et des excitations dans les atomes. Les ionisations se recombinent et les excitations se désexcitent ; l'énergie est finalement dissipée sous forme de chaleur. Quelle grandeur est utilisée pour décrire le dépôt d'énergie des rayons X dans la matière? C'est la dose absorbée (D) qui quantifie l'énergie déposée par unité de masse de matière. Son unité est le J/kg que l'on nomme gray (Gy). 7. Techniques de mesure des radiations ionisantes Quels sont les principes de mesure des radiations ionisantes? Les principales méthodes de mesure des radiations ionisantes sont basées sur les mécanismes suivants : ionisation, scintillation, thermoluminescence, production d'une image latente dans une émulsion photographique. Comment fonctionne un détecteur basé sur l'ionisation? Dans les détecteurs basés sur l'ionisation on récolte les charges produites par la radiation dans un volume donné. On compte parmi les détecteurs basés sur l'ionisation d'un gaz, la chambre d'ionisation, le compteur proportionnel et le compteur de Geiger-Müller. Comment fonctionne un détecteur basé sur la scintillation? Dans les détecteurs basés sur la scintillation, les photons lumineux produits lors de la désexcitation des atomes sont mesurés par le biais d'un photomultiplicateur ou d'une diode. De nombreux détecteurs utilisés en radiologie sont basés sur ce principe. Comment fonctionne un détecteur basé sur la thermoluminescence? Dans la mesure par thermoluminescence les rayons X communiquent une fraction de leur énergie aux électrons du cristal thermoluminescent. Ces électrons passent alors dans un état excité relativement stable. Lors du chauffage du cristal les électrons retournent à leur état fondamental (libèrent l'énergie stockée suite à leur irradiation) en émettant de la lumière dont la quantité est proportionnelle à la dose reçue par le cristal. Ces dosimètres sont utilisés en particulier dans la surveillance dosimétrique des personnes professionnellement exposées aux radiations. Page 6

7 III) Effets biologiques des radiations Le but de cette troisième leçon est tout d'abord de présenter l'action biologique des radiations au niveau de la cellule, puis au niveau des tissus et organes. Les conséquences de l'irradiation de l'organisme seront ensuite présentées en distinguant les effets selon leur mode d'action (effets déterministes et stochastiques). Finalement un chapitre sera consacré à l'effet de l'irradiation sur le fœtus. 1. Mécanisme d action biologique des radiations sur les cellules et classification des effets Quel est le déroulement temporel de l'action de la radiation sur la cellule? Les étapes physiques (dépôt d'énergie), physico-chimiques et chimiques sont très rapides (de l'ordre de la microseconde). Suivent les étapes biologiques : la fixation des dommages (~ heures), les réactions tissulaires ou effets déterministes (~ semaines), les effets stochastiques (~ dizaines d'années). Quels sont les modes d'action de la radiation sur la cellule? Dans l'étape physico-chimique de l'action biologique des radiations, on distingue l'action directe de la radiation sur l'adn et l action indirecte. Les dommages de l'adn lors de l'action indirecte sont dus à la formation, dans le liquide cellulaire, de radicaux libres. Quels sont les types de lésions provoquées par la radiation sur l'adn? On identifie principalement trois effets sur l'adn : la lésion aux bases, la rupture d'un brin et la rupture des deux brins. La fréquence spontanée de ce dernier effet (rupture des deux brins d'adn) est rare et sa réparation est delicate. 2. Notion de dose équivalente Quel est le rapport entre la dose absorbée et l'effet biologique sur les cellules? Dans le domaine des faibles doses, c'est à dire en dessous de 0,5 Gy, l'effet biologique dépend non seulement de l'énergie déposée, décrite par la dose absorbée (D), mais aussi de la répartition du dépôt d'énergie au niveau des cellules. Quand l'ionisation est dense (neutrons, particules α) les mécanismes de réparation sont moins efficaces et les dommages, à dose absorbée égale, sont plus importants. Quelle grandeur est utilisée pour décrire l'action des radiations ionisantes sur les tissus biologiques dans le domaine des faibles doses (< 0,5 Gy)? Pour décrire l'action des radiations ioniantes au niveau biologique dans le domaine des faibles doses, on utilise en radioprotection la dose équivalente (H) ; c'est le produit de la dose absorbée (D) par le facteur de pondération de la radiation w R : H = D. w R Unité : 1 J/kg = 1 Sv (sievert). Le facteur w R vaut 1 pour les rayons X. Ainsi, en radiologie, une dose absorbée de 1 mgy correspond à une dose équivalente de 1 msv. Page 7

8 3. Variation de la sensibilité au niveau des cellules et des tissus Quelles sont les cellules les plus radiosensibles? Les cellules les plus radiosensibles sont les cellules qui se multiplient rapidement, les cellules jeunes et les cellules de l'embryon Quelles sont les tissus les plus radiosensibles? Les systèmes hématopoïétique et lymphatique, la muqueuse intestinale, les gonades et le cristallin sont particulièrement radiosensibles 4. Effets des radiations sur l'organisme Quels sont les effets des radiations sur l'organisme? On compte deux types d'effets de l'irradiation de l'organisme qui se différencient par leur nature, leur dépendance avec la dose et leur moment d'apparition : les réactions tissulaires, aussi appelées effets déterministes, et les effets stochastiques. Comment sont caractérisées les réactions tissulaires (effets déterministes)? Les réactions tissulaires ou effets déterministes de l'exposition de l'organisme aux radiations sont caractérisés par : le dysfonctionnement d'un organe la présence d'un seuil en dose une sévérité de l'effet qui est fonction de la dose une apparition rapide de l'effet (quelques heures à quelques semaines). Comment sont caractérisés les effets stochastiques? Les effets stochastiques de l'exposition de l'organisme aux radiations sont caractérisés par : une modification au niveau de la cellule, l'absence d'un seuil démontré, une probabilité d'apparition de l'effet qui est fonction de la dose, un temps de latence important. 5. Réactions tissulaires ou effets déterministes des radiations A quels moments apparaissent les réactions tissulaires (ou effets déterministes)? Le moment d'apparition des réactions tissulaires (ou effet déterministes) dépend de la dose et est situé en général entre quelques heures et quelques semaines. Font exception l'induction de la cataracte et la fibrose pulmonaire qui peuvent apparaître plus tardivement. Quelles sont les doses seuils des réactions tissulaires? La dose de seuil des réactions tissulaires est située au-dessus de 0,5 Gy pour une irradiation unique et au-dessus de 0,5 Gy par an pour une irradiation prolongée. On notera que la cataracte est une réaction tissulaire dont le seuil d'apparition a été fortement diminué ces dernières années puisqu'il est passé de 5 Gy à 0.5 Gy (irradiation unique) à la suite d'une réévaluation des données épidémiologiques. Page 8

9 Quels sont les effets d'une irradiation aiguë au niveau de la peau? En cas d'irradiation aiguë de la peau, on observe un érythème précoce transitoire et une épilation temporaire entre 2 et 5 Gy. Entre 5 et 10 Gy l'érythème provoqué par les radiations peut nécessiter de nombreuses semaines avant de régresser. Une épilation définitive est aussi à attendre. A des doses plus élevées, on observe la desquamation, l'atrophie, la télangiectasie et la nécrose. 6. Effets stochastiques des radiations et notion de dose effective Sur quoi est basée l'estimation du risque d'induction de cancer (risque stochastique) par les radiations? La base de l'estimation du risque d'induction de cancer par les radiations est le suivi des survivants de Hiroshima et Nagasaki. On admet que la probabilité d'induction de cancer est linéaire sans seuil (hypothèse LNT ; Linear No Threshold-Hypothesis) et on applique, dans le domaine de la radioprotection, un facteur de réduction de 2 au facteur de risque déterminé à partir du suivi des survivants de Hiroshima et Nagasaki. Quel est le risque d'induction de cancer lors d'une exposition aux radiations ionisantes? Le risque d'induction de cancer mortel chez l'adulte lié à l'exposition aux radiations ionisantes, lors d'une exposition homogène, est estimé à 4% par Sv. Qu'elle est la grandeur utilisée pour estimer les risques stochastiques lors d'une exposition inhomogène? La grandeur utilisée pour estimer les risques stochastiques lors d'une exposition aux radiations ionisantes inhomogène est la dose effective (E). Elle est aussi appelée dose efficace en France. Son unité est la même que celle de la dose équivalente : le sievert (Sv). La dose effective (E) est une grandeur synthétique. Elle est estimée en faisant la moyenne pondérée de la dose équivalente aux différents organes: E = Σ w T. H T où H T est la dose équivalente à l'organe T et w T le facteur de pondération de l'organe T. Ce dernier facteur représente la fraction du risque total (de décès par cancer et des risques héréditaires) liée à l'irradiation de l'organe T en cas d'irradiation homogène du corps entier. Le facteur de risque de mort par cancer chez l'adulte est aussi de 4% par Sv. 7. Effets stochastiques et risque dans la descendance Sur quoi est basée l'estimation du risque dans la descendance (effets héréditaires) à la suite d'une exposition aux radiations ionisantes? Les effets héréditaires de la radiation n'ont pas été mis en évidence dans des populations humaines. L'estimation du risque d'induction, par les radiations ionisantes, de malformations dans la descendance est obtenue en extrapolant les résultats observés dans l'expérimentation animale. Page 9

10 Quel est son facteur de risque? Le facteur générique de risque d'induction de malformations dans la descendance est estimé à 1% par Sv. 8. Effets de l'irradiation in utero Quels sont les effets de l'irradiation de l'embryon ou le fœtus? L'irradiation in utero conduit: Dans les 3 premières semaines, à la mort de l'embryon. Elle est de ce fait considérée comme sans effet ; Dès la 3 ème semaine et ce jusqu'à 2 mois (période de l'organogénèse), à des malformations. Néanmoins c'est un effet déterministe dont le seuil est estimé à 100 msv ; Dès la 3 ème semaine et ce jusqu'à la naissance, à un risque d'induction de cancer. Il s'agit du seul effet stochastique de l'irradiation in utero. Le facteur de risque est estimé à 10% à 20 % par Sv ; De la 8 ème à la 25 ème semaine, à une réduction du quotient intellectuel. C'est aussi un effet déterministe dont le seuil est estimé à 500 msv. Page 10

11 IV) Principe et méthode de la radioprotection Le but de cette quatrième leçon est de présenter en s'appuyant sur la connaissance des effets des radiations, les principes et les méthodes générales de la radioprotection. Les objectifs de la radioprotection seront d'abord décrits. Les trois principes liés à l'application des radiations, à savoir la justification de l'activité envisagée, l'optimisation des mesures de protection et la limitation des doses individuelles seront présentés. Les limites de dose pour les effets stochastiques et celles pour les effets déterministes seront établies. Suivra une brève description des méthodes de radioprotection, tant dans le cas de l'utilisation d'installations radiologiques que de sources radioactives. Les méthodes de surveillance individuelle des travailleurs correspondant à ces deux applications seront indiquées. La leçon sera clôturée par une description des méthodes de protection du public et la présentation de la situation de l'irradiation de la population suisse. 1. Objectifs de la radioprotection Quels sont les effets des radiations ionisantes sur l'homme qui permettent d'établir les principes de la radioprotection? Parmi les effets biologiques des radiations ionisantes on compte : aux hautes doses, des effets déterministes (brûlures de la peau, cataracte) avec un seuil générique à 500 mgy et une dose semi-létale en cas d'irradiation aiguë du corps entier de 5 Gy. aux faibles doses, des effets stochastiques (risque d'induction de cancers et risques héréditaires) avec un facteur générique de risque de 5 % par Sv. Quel est le but de la radioprotection? Le but de la radioprotection est de protéger l'homme, sa descendance et l'environnement contre les effets nocifs des radiations ionisantes. Quels sont les objectifs de la radioprotection dans le cas des effets déterministes (ou réactions tissulaires) et dans le cas des effets stochastiques? Les objectifs de la radioprotection sont: Prévenir tout effet déterministe des radiations. Limiter à un niveau acceptable la probabilité des effets stochastiques. Quels sont les principes de base établis en vue d'atteindre les objectifs de la radioprotection? Pour atteindre ces objectifs la radioprotection s'articule à partir de 3 principes de base : justification (faire plus de bien que de mal), optimisation (maximiser le bien par rapport au détriment) et limitation des doses individuelles (ne sacrifier aucun individu) (joli!). Page 11

12 2. Principe de justification Qu'entend-t-on par principe de justification? Selon le principe de justification, une activité utilisant les radiations ionisantes ne sera engagée que si les avantages qu'elle apporte compensent les détriments engendrés et qu'il n'existe pas de méthode alternative n'utilisant pas les radiations ionisantes. 3. Principe d'optimisation Qu'entend-t-on par principe d'optimisation? Selon le principe d'optimisation, il faut maintenir dans chaque activité utilisant des radiations ionisantes, les doses aussi faibles que cela est raisonnablement possible, compte tenu des aspects économiques et sociaux (principe ALARA de "as low as reasonably achievable"). Ce principe découle du fait qu'il n'y a pas de seuil démontré aux effets stochastiques. 4. Principe de limitation des doses Quelle est la signification d'une limite de dose? Dans le cadre de la limitation des doses, l'interprétation de la limite de dose n'est pas que, en dessous de la limite, la situation est sûre, mais que, en dessus de la limite, le risque est inacceptable. Quelles sont les grandeurs auxquelles les limites de dose s'appliquent dans le cas du risque déterministe? Pour exclure le risque déterministe lié à une exposition, on utilise la dose équivalente moyenne (H T ) à l'organe concerné. Dans le cas de la peau, la surface sur laquelle s'effectue la moyenne est de 1 cm 2. Quelle est la grandeur à laquelle les limites de dose s'appliquent dans le cas du risque stochastique? La dose effective (E) est la grandeur synthétique qui est utilisée pour mesurer le risque stochastique lié à une situation d'exposition aux radiations ionisantes. Quels sont les risques relatifs des divers organes dans le cas des effets stochastiques? Le facteur w T pour les gonades est de 0,2 (risque de malformation dans la descendance). Il est compris entre 0,01 et 0,12 pour les autres organes (risque d'induction de cancer). Les valeurs de w T sont indiquées dans la législation Suisse. 5. Limites des doses pour les effets stochastiques Comment est fixée la limite de dose pour les effets stochastiques? Pour la détermination de la limite de dose, on est parti d'un risque annuel maximum de décès par cancer et de risques héréditaires de 10-3 par an pour les personnes professionnellement exposées aux radiations et de 10-4 par an pour le public. On notera que si le facteur de 10-4 appliqué au public est très faible par rapport au risque naturel de mort par cancer, le facteur de risque des personnes professionnellement exposées aux radiations correspond à un risque professionnel élevé. Page 12

13 Quelles sont les valeurs des limites de dose pour les différentes catégories de personnes? Les limites de dose annuelles pour les diverses catégories de personne sont les suivantes : pour les personnes professionnellement exposées aux radiations : situation normale : 20 msv/an situation exceptionnelle : 50 msv/an (avec moyenne sur 5 ans de 20 msv/an) jeunes entre 16 et 18 ans : 5 msv/an femmes enceintes à l'abdomen: 2 msv par incorporation : 1 msv pour la population en général : 1 msv/an pour le patient : pas de limite de dose. 6. Limites des doses pour les effets determinists Comment assure t-on l'absence d'effets déterministes? Pour éviter l'apparition d'effets déterministes des limites de dose complémentaires à celle appliquée pour limiter les effets stochastiques ont été fixées pour les personnes professionnellement exposées aux radiations : H cristallin : 150 msv/an (il est prévu d abaisser cette limite à 20 msv/an) H peau : 500 msv/an (moyenne sur 1 cm 2 ) H extrémités : 500 msv/an. 7. Radioprotection opérationnelle Comment définit-on une personne professionnellement exposée aux radiations? On désigne comme personne professionnellement exposée aux radiations toute personne qui peut recevoir par son activité professionnelle une dose effective annuelle supérieure à 1 msv, ou qui séjourne régulièrement (plus qu'une fois par semaine) dans une zone controlee. Comment définit-on une zone où l'on travaille avec des radiations ionisantes? Dans le domaine de la radiologie (appareils à rayons X), on désigne par zone contrôlée toute zone dans laquelle une personne peut recevoir une dose effective supérieure à 1 msv par an. L'accès à ces zones est réservé aux personnes professionnellement exposées aux radiations. Quels sont les risques qui doivent être limités par la radioprotection? Dans le domaine de la radioprotection on distingue deux types de risque : ceux qui concernent exclusivement un risque d'irradiation externe (installations génératrices de radiations ionisantes comme un tube à rayons X par exemple, sources radioactives scellées) ceux qui présentent en plus un risque de contamination interne par incorporation (manipulation de sources radioactives non scellées). Page 13

14 Quelles sont les méthodes de protection dans les situations de risque d'irradiation externe? Les méthodes de protection en cas de risque d'irradiation externe sont (temps-distance-écran) : la limitation du temps d'exposition le maintien d'une grande distance à la source l'interposition d'écrans (blindages) entre la source et la personne. Quelles sont les méthodes de protection dans les situations de risque de contamination interne? Les méthodes de protection en cas de risque de contamination interne consistent à empêcher l'incorporation. Ces méthodes peuvent se faire soit par le confinement de la substance radioactive (utilisation de chapelle, hotte d'aspiration, etc.) et/ou la protection individuelle de la personne contre l'incorporation (port de masque, etc.) 8. Surveillance individuelle en radioprotection Quel est l'objectif de la surveillance individuelle des personnes professionnellement exposées aux radiations? La surveillance individuelle des personnes professionnellement exposées aux radiations a pour objectif de mesurer le risque radiologique encouru et d'intervenir le cas échéant. Quelles sont les grandeurs dosimétriques de la surveillance individuelle? Dans le cas de l'irradiation externe la surveillance individuelle est basée sur le port d'un dosimètre au niveau du thorax ; le dosimètre mesure les grandeurs suivantes : H p (10) : dose équivalente individuelle en profondeur (10 mm) ; elle est représentative de la dose aux organes (à l'exception de la peau) et de la dose effective H p (0,07) : dose équivalente individuelle en surface (0,07 mm) ; elle est représentative de la dose à la peau. Quand les doses mesurées sont situées en dessous des limites, on admet que la dose effective est égale à H p (10) et que la dose à la peau est égale à H p (0,07). En cas de dépassement de la limite, une enquête est effectuée afin d'améliorer l'estimation de la dose effective en tenant compte des conditions particulières d'irradiation. Quelles sont les exigences concernant les dosimètres individuels? Le dosimètre individuel est basé sur le principe de la thermoluminescence. Il a un seuil de sensibilité de 0,1 msv. Les services dosimétriques sont homologués par l'office fédéral de la santé publique. Ils participent chaque année à une intercomparaison visant à vérifier la qualité des mesures et de lectures des dosimeters. Page 14

15 9. Méthodes de protection du public Comment est assurée la protection du public contre les expositions aux radiations liées aux activités professionnelles et à l'utilisation de substances radioactives dans des produits de consommation courante? Le public est protégé contre le rayonnement direct provenant des entreprises utilisant des radiations ionisantes par les blindages et contre l'incorporation de substances radioactives par les limites de rejet fixées par les législations concernant les eaux usées et les gaz rejetés dans l'atmosphère. En outre les produits de consommation contenant des substances radioactives sont soumis à homologation délivrée par l'ofsp. La base de cette protection est la limite de dose de 1 msv par an. Les modèles utilisés pour le calcul des doses sont très conservatifs et les doses délivrées au public par les sources radioactives artificielles sont très inférieures à la valeur limite. La surveillance de la population à cette exposition est assurée par l'ofsp qui effectue de nombreuses mesures dans l'environnement. 10. Situation de l'irradiation de la population Suisse Quelles sont les doses reçues par la population suisse provenant des sources naturelles et artificielles de rayonnement ionisant? L'exposition de la population suisse par les radiations est en moyenne d'environ 6 msv par an. Elle se décompose comme suit: sources naturelles : trois quarts de la dose totale (dont 3,2 msv dus au radon) sources artificielles : un quart de la dose totale (dont 1,2 msv dû aux applications médicales). Page 15

16 V) Fonctionnement de l'installation radiologique et détecteur Le but de cette cinquième leçon est de décrire l'ensemble de la chaîne radiologique en débutant par l'explication du fonctionnement du tube radiologique. L'interaction des rayons X avec le patient sera ensuite présentée en lien avec le contenu des chapitres précédents qui étaient plus généraux. Au niveau de la détection des rayons X par le récepteur d'image, on considérera le cas de la radiographie de celui de la radioscopie. Enfin, on s'intéressera à la visualisation de l'image, étape fondamentale si l'on veut être à même de pouvoir exploiter au mieux l'information produite par l'interaction des rayons X avec le patient. 1. Procédure radiologique Quelles sont les trois étapes de la procédure radiologique? Les trois étapes de la procédure radiologique sont: la production d'un faisceau de rayons X ; l'interaction du faisceau de rayons X avec le patient ; la détection du faisceau de rayons X transmis au travers du patient. Où sont produits les rayons X? La production des rayons X a lieu dans un tube à rayons X composé d'une enceinte sous vide, d'une gaine de protection et d'une fenêtre de sortie du faisceau. Le champ de rayons X issu du tube est matérialisé à l'aide d'un viseur lumineux. Que se passe-t-il au niveau du faisceau de rayons X lorsque celui-ci interagit avec le patient? Le faisceau de rayons X va être atténué par le patient. Des interactions photoélectriques, Compton et Thomson-Rayleigh auront lieu avec les tissus traversés par les rayons X. A la sortie du patient on aura à la fois le faisceau qui a traversé le patient sans avoir interagi avec les tissus (transmission du rayonnement primaire) ainsi que les rayons X diffusés (produits lors des interactions Compton et Thomson-Rayleigh dans les tissus du patient. Les rayons X à la sortie du patient forment ce que l'on appelle "l'image radiante". Quel est le rôle du détecteur? La détection de la radiation permet de saisir l'information contenue dans l'image radiante; le système de détection est maintenant le plus souvent numérique. Auparavant on utilisait un détecteur analogique comme le couple écran-film. 2. Production de rayons X Comment est créé le faisceau de rayons X et qu'elle fraction de l'énergie déposée dans l'anode est transformée en rayons X? Le tube radiologique est une enceinte sous vide qui produit des rayons X. Au sein du tube radiologique les électrons, émis par un filament chauffé (cathode du tube ; pôle négatif), sont accélérés vers une anode (pôle positif) où ils sont freinés et déposent leur énergie principalement sous forme de chaleur. Une faible fraction de l'énergie (moins d'un pour-cent) est transformée en rayons X qui sont émis dans toutes les directions. La majeure partie des rayons X est absorbée dans la gaine du tube. A la sortie du tube se trouve une fenêtre Page 16

17 d'émission (ouverture dans la gaine), un filtre pour absorber les rayons X de basse énergie, un diaphragme pour définir la taille du faisceau et un viseur lumineux pour visualiser la position du faisceau au niveau du patient. Comment contrôle-t-on le nombre d'électrons qui circulent de la cathode à l'anode dans un tube à rayons X? Le nombre d'électrons par unité de temps qui circulent entre la cathode est l'anode constitue le courant du tube (ma). Le nombre d'électron total qui a circulé entre la cathode et l'anode lors de la prise d'un cliché constitue la charge (Q). La charge est obtenue en faisant le produit du courant par la durée d'exposition du cliché. En radiologie la charge est exprimée en mas (milliampère-seconde). Comment contrôle-t-on l'énergie des électrons à leur arrivée sur l'anode? L'énergie des électrons à leur arrivée sur l'anode est proportionnelle à la tension appliquée entre la cathode et l'anode. Si l'on exprime l'énergie en électron-volt (ev), l'énergie de l'électron à l'arrivée sur l'anode a la même valeur numérique que la tension exprimée en volt (V). Ainsi si on choisit d'appliquer une tension de 60 kv entre la cathode et le filament tous les électrons à leur arrivée sur l'anode auront une énergie de 60 kev. En radiologie l'énergie des électrons à leur arrivée sur l'anode est exprimée en kev (kiloélectron-volt) et non en joule. Quels sont les mécanismes de production des rayons X? Les rayons X sont produits par l'interaction d'électrons sur la matière. Comme le numéro atomique de l'anode est élevé (en général on utilise le tungstène (W)), la production de rayonnement de freinage est importante. A ce rayonnement de freinage s'ajoute du rayonnement caractéristique (rayonnement de fluorescence). Pour rappel: du rayonnement de freinage est produit lorsqu'un électron est dévié par le champ électromagnétique d'un noyau avec lequel il interagit. du rayonnement caractéristique, encore appelé rayonnement de fluorescence, est produit lorsque l'électron accéléré arrache un électron dans une couche électronique de l'atome avec lequel il interagit (il crée ainsi une vacance électronique) ; le remplissage de la vacance par un électron issu d'une couche externe conduit à l'émission d'un rayon X. Quel est le spectre d'énergie des rayons X produits à la sortie du tube? Le spectre du rayonnement X a deux composantes : Une contribution continue due au rayonnement de freinage. À la sortie de l'anode, le spectre du rayonnement de freinage à une forme triangulaire (beaucoup de rayons X de basse énergie et une énergie maximum du spectre égale à l'énergie qu'avaient les électrons à leur arrivée sur l'anode). La gaine du tube radiologique et un filtre additionnel placé à la sortie du tube radiologique permet d'absorber une grande partie des rayons X de très basse énergie qui auraient peu de chance d'atteindre le détecteur d'image et qui finalement ne feraient qu'exposer le patient. Une contribution de lignes due au rayonnement caractéristique (aussi appelé rayonnement de fluorescence). Les énergies des lignes sont égales à la différence de l'énergie de liaison entre les couches électroniques des atomes de l'anode et ainsi sont caractéristiques du matériau de l'anode. Page 17

18 3. Interaction des rayons X avec le patient Quels sont les mécanismes principaux d'interaction des rayons X avec les tissus? Les mécanismes d'interaction des rayons X avec le patient sont : l'effet photoélectrique (prédominance dans le tissu osseux ; numéro atomique élevé), la diffusion Compton (prédominance dans le tissu mou). On néglige en général l'effet Thomson-Rayleigh. Comment varient les coefficients d'atténuation linéiques avec le type de tissu traversé et l'énergie de la radiation? Les coefficients d'atténuation linéiques sont plus élevés aux basses énergies. La différence des coefficients d'atténuation linéiques entre le tissu osseux et le tissu mou est aussi plus élevée aux basses énergies. Les coefficients d'atténuation linéiques des tissus osseux ou opacifiés à l'iode dépendront fortement de l'énergie des rayons X (Z élevé --> effet photoélectrique important). Cette dépendance sera plus faible pour les tissus mous (Z bas --> peu d'effet photoélectrique). Que vaut la couche de demi-atténuation d'un tissu mou? La couche de demi-atténuation (CDA) d'un tissu mou pour une tension moyenne utilisée généralement en radiologie (70 kv) est d'environ 3 cm. Comment qualifie-t-on la contribution du rayonnement diffusé et de quels facteurs cette contribution dépend-elle? Les interactions Compton au sein du patient produisent du rayonnement diffusé. La quantité de rayonnement diffusé produit varie principalement avec la grandeur de champ et avec l'épaisseur du patient. Le rapport du rayonnement diffusé (scatter en anglais) sur le rayonnement primaire (S/P) est situé entre trois et six en radiographie ou radioscopie. Ce qui signifie qu'à la sortie du patient on a de trois à six photons diffusés pour un seul photon primaire transmis. Malheureusement les photons diffusés n'apportent aucune information ; pire, ils dégradent la qualité des images radiologiques. Comment fonctionne la grille anti-diffusante et comment est-elle caractérisée? La grille anti-diffusante est construite de manière à transmettre un maximum de rayonnement primaire et d'absorber un maximum de rayonnement diffusé. Elle est caractérisée par le rapport de grille (hauteur des lames sur la distance entre les lames, par sa fréquence (nombre de lames par cm), et par son facteur de Bucky. Que mesure le facteur de Bucky d'une grille anti-diffusante? Le facteur de Bucky (B), correspond au facteur par lequel il faut augmenter la fluence de rayons X à la sortie du patient lorsque l'on utilise une grille anti-diffusante. Ce facteur est compris entre 2 et 6. Page 18

19 4. Détection des rayons X Quels sont les éléments principaux d'un système récepteur d'image? Les systèmes de détection de l'image radiante (détecteur d'image) comprennent trois éléments distincts : le détecteur, le support de l'image et le dispositif de présentation de l'image. Dans le cas de la détection par émulsion photographique ces trois éléments sont confondus. Quelles sont les catégories de récepteurs d'image? Les systèmes d'imagerie peuvent être classés en fonction de leur nature, analogique ou numérique, et en fonction de leur application, radiographie ou radioscopie. Parmi les systèmes analogiques on compte: le système couple écran-film utilisé en radiographie, l'amplificateur de luminance utilisé en radioscopie. Comment est définie la sensibilité d'un détecteur d'image en radiologie et quelles sont les valeurs de cette sensibilité dans les examens radiologiques? La sensibilité d'un détecteur d'image peut être définie comme suit : S = 1000 / D(µGy) Où D représente la dose absorbée au niveau du détecteur d'image pour produire une image interprétable. On voit qu'un détecteur dont la sensibilité est égale à 100 nécessite une dose de 10 µgy. Les sensibilités utilisées en radiographie sont comprises entre 200 et 800 selon la qualité nécessaire à l'établissement d'un diagnostic. Comment est constituée une image numérique? L'image numérique est constituée d'une matrice de chiffres (512 x 512 jusqu'à 2048 x 2048) correspondant au nombre de pixels de l'image (dimension de chaque pixel comprise entre 150 μm et 200 μm pour la radiographie ou la radioscopie). Le nombre de niveaux de gris que peut prendre chaque pixel dépend du nombre de bits utilisé pour stocker l'information. En radiologie le nombre de bits utilisé par pixel se situe entre 8 et 14 (ce qui correspond à 256 à 16'384 niveaux d'intensité ou niveaux de gris de l'image). Quels sont les avantages de la radiologie numérique? Les avantages de la radiologie numérique sont : la suppression du développement des films, l'augmentation de la latitude d'exposition (10 3 au lieu de 20) (la latitude d'exposition représente le domaine de dose où à une différence de dose correspond une différence de signal) la possibilité de traitement informatique de l'image permettant parfois de pouvoir utiliser un cliché qui aurait été inutilisable avec un couple écran-film, la transmission et un archivage facilité. Quels sont les inconvénients de l'imagerie numérique? Les inconvénients de la radiologie numérique sont : le coût du système, un risque de surexposition du patient puisque la latitude de ces systèmes est importante et que plus la dose au niveau du détecteur est élevée meilleure est l'image. Page 19

20 5. Les détecteurs d'images en radioraphie Comment fonctionne un couple écran-film? Le couple écran-film se présente sous la forme d'une cassette étanche à la lumière. Dans la cassette se trouve un écran renforçateur (constitué d'un matériau scintillateur) qui absorbe et convertit les rayons X en lumière. Plus l'écran est épais, meilleure est l'absorption des rayons X (augmentation de la sensibilité du détecteur). La lumière produite par l'écran renforçateur crée une image latente dans le film. Après le développement du film, la densité des grains d'argent métallique produit (donc opaques à la lumière) est liée à la quantité de lumière reçue. Plus le film a reçu de lumière plus son noircissement est important. On quantifie le noircissement d'un film par notion de densité optique. Lorsque le film est complètement transparent, la densité optique est nulle. Lorsque la densité optique vaut 1,0, alors seulement le 1/10 de la lumière du négatoscope est transmise au travers du film (pour 2,0 seulement le 1/100). Plus la densité optique est élevé plus le film est sombre. Qu'elles sont les propriétés du film? La courbe caractéristique du film est la représentation de la densité optique du film en fonction du logarithme de son exposition. Elle comprend 3 parties: le voile de base : il s'agit du niveau de densité optique en l'absence d'exposition du film; la gamme d'utilisation : où à chaque différence de dose correspond une différence de noircissement; la zone de saturation : le film est surexposé, donc inutilisable. La pente de la relation noircissement du film / dose constitue le contraste du film. La latitude d'exposition d'un couple écran film est de l'ordre de 20. Comment fonctionne le système numérique à détecteur passif (CR)? Le système numérique à détecteur passif (CR) est basé sur un écran phosphorescent à mémoire. L'exposition de l'écran aux rayons X conduit à peupler, dans le cristal, les pièges d'électrons. Lors de la lecture, en différé, les pièges sont vidés par excitation avec un faisceau laser ponctuel et l émission concomitante de lumière est mesurée. La latitude d'exposition des CR est très grande par rapport au couple écran-film (de l'ordre de 1000). Comment fonctionnent les systèmes numériques à détecteur actif (DR)? Les détecteurs d'image actifs (aussi appelés détecteurs plans) permettent d'obtenir une image numérique en temps réel (actif). Ici chaque pixel de l'image est un petit détecteur. Ce qui signifie que pour une image 512 x 512 le détecteur d'image est constitué de 512 x 512 petits détecteurs individuels. Comme les CR la latitude d'exposition des DR est très grande par rapport au couple écran-film (de l'ordre de 1000). Page 20

21 6. Radiographie : fonctionnement en mode automatique Comment fonctionne le mode de réglage automatique? En mode automatique, seule la tension est sélectionnée (ou proposée) au pupitre de commande. L'installation décide du courant qui sera utilisé. La cellule d'exposition automatique, placée au niveau du détecteur d'image, interrompt l'irradiation quand la valeur de consigne, adaptée à la sensibilité du détecteur d'image, est atteinte. Quels sont les aspects critiques du réglage automatique? Le choix de la ou des cellule(s) d'exposition automatique et le positionnement du patient par rapport à ces cellules jouent un rôle critique sur l'exposition du détecteur d'image. Comment positionner le patient dans l'espace entre le tube et le dispositif récepteur d'image? Le patient est toujours positionné le plus près possible du système de détection, ceci pour améliorer la résolution spatiale (limitation de l'agrandissement et donc limitation de la pénombre) et pour réduire la dose à la peau du patient. Comment varie la dose au patient avec la distance foyer-détecteur d'image en exposition automatique? La dose à l'entrée du patient diminue pour les grandes distances foyer-détecteur d'image, mais pas comme l'inverse du carré de la distance, car on doit augmenter l'exposition pour obtenir une dose constante au niveau du détecteur d'image (but de l'exposition automatique). Pour une épaisseur moyenne d'un patient de 20 cm, la réduction est de l'ordre de 10 % lorsque l'on passe d'une distance foyer-film de 100 cm à une distance de 120 cm (et non /120 2 correspondant à réduction de 30 %). Ainsi, en mode automatique la dose au patient n'évolue pas comme l'inverse du carré de la distance. Pourquoi est-il important de diaphragmer le faisceau? La réduction de la taille du champ d'irradiation améliore le contraste radiologique par réduction du rayonnement diffusé produit dans le patient. Elle réduit en plus l'exposition du patient et permet aussi de réduire le rayonnement diffusé à proximité du patient. 7. Radiographie : fonctionnement en mode manuel Quelles sont les modalités du réglage manuel et comment adapte-t-on les paramètres de réglage au patient particulier? Le mode manuel n'est disponible que sur les systèmes disposant d'un détecteur de type couple écran-film ou CR. Le réglage en mode manuel est basé sur un tableau d'exposition indiquant en particulier pour chaque localisation la tension et la charge à utiliser pour un patient moyen. L'adaptation au patient particulier (corpulence, masse corporelle) se base sur l'expérience de la personne en charge de l'examen. Une épaisseur supplémentaire de tissu de 3,0 cm signifie approximativement qu'il faut doubler la quantité de rayonnement à l'entrée du patient pour obtenir une dose au détecteur comparable. Comment positionner le patient dans l'espace entre le tube et le détecteur d'image? Comme pour le mode automatique le patient est toujours positionné le plus près possible du détecteur d'image. Page 21