BIOPHYSIQUE DES RAYONNEMENTS

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1 _ Effets biologiques des rayonnements BIOPHYSIQUE DES RAYONNEMENTS L effet des rayonnements ionisants sur la matière vivante est souvent perçu comme un effet délétère conduisant à la radiopathologie. Des esprits mieux intentionnés voient, dans l étude scientifique de l interaction matière - rayonnement, une possibilité de comprendre correctement de nombreux et complexes faits expérimentaux, c est la radiobiologie. Les scientifiques ou médecins spécialisés retirent de ces études un ensemble cohérent de connaissances orienté vers la radioprotection. La radioprotection est issue du désir d éviter une pathologie induite par les rayonnements sur une population malade ou en bonne santé, mais aussi sur la descendance de ces populations. Les applications de la radioactivité, singulièrement les applications industrielles, ont générés des craintes parfois déraisonnables. La pathologie induite par les applications médicales a imposé aux autorités la mise en place de normes de radioprotection dès 1928 (CIPR). Il faut avoir conscience que l irradiation industrielle ainsi que celle résultante des essais nucléaires atmosphériques militaires est quantitativement très faible par rapport à l irradiation médicale. Les applications médicales, dont l imagerie, sont de loin les plus irradiantes. En France, nouveaux malades cancéreux sont traités chaque année par des rayonnements, c est la radiothérapie. L effet n est plus délétère, au contraire c est un effet bénéfique pour le malade. Comme toujours en médecine, il faut évaluer le rapport coût / bénéfice et se poser la question du risque pour le patient. Même si les risques éventuels d un traitement sont très difficiles à mettre en évidence, seule la connaissance raisonnée des phénomènes doit aider le médecin et le patient à accepter ou à refuser ce risque. L absence de certitude scientifique ne doit pas conduire à une cécité éthique, et l application raisonnable du principe de précaution doit guider le comportement médical. Tout rayonnement, ondulatoire ou particulaire, présente des effets biologiques, utiles ou nuisibles à la vie. Bien que nous insisterons essentiellement sur les effets biologiques et sanitaires des rayonnements ionisants, en raison de leur grande importance pratique, nous aborderons les effets biologiques des rayonnements non ionisants, électromagnétiques et ultrasoniques. On remarquera les analogies entre effets précoces ou tardifs, déterministes ou stochastiques. 1

2 _ Effets biologiques des rayonnements RAPPELS DE PHYSIQUE I Interaction rayonnement - matière II Rayonnements non - ionisants III Rayonnements ionisants IV Absorption d énergie : notion de dose I INTERACTION RAYONNEMENT - MATIERE Dans la nature existent deux concepts physiques liés à l énergie : - l onde - le corpuscule Les rayonnements apparaissent donc ondulatoires ou particulaires selon les conditions d expérience ou de mesure. On sait que depuis 1924 (création de la mécanique ondulatoire par Louis De Broglie), que les deux notions sont liées par la dualité onde - corpuscule : une quantité transférable d énergie peut se présenter sous forme particulaire ou ondulatoire selon l expérience mise en œuvre. La matière vivante (virus, cellule, tissu ou animal) est composée d atomes structurés en molécules. Soumise à une irradiation par des rayonnements ionisants ou non ionisants cette matière reçoit de l énergie, avec ou sans transfert de matière. Le site d action des rayonnements ionisants est essentiellement l atome, le plus souvent les électrons atomiques, alors que les rayonnements non ionisants agissent au niveau des énergies moléculaires. Le transfert d énergie pour les radiations ionisantes est bien connu, par exemple pour expliquer les bases physiques de l imagerie par atténuation. Les rayonnements non ionisants transmettent aussi de l énergie à distance. L imagerie par résonance magnétique nucléaire est basée sur le transfert de photons très peu énergétiques (domaine des ondes radiophoniques) pour inverser une population de spins nucléaires. Les ultrasons déposent de l énergie d origine mécanique dans les tissus vivants, énergie qui apparaît sous forme thermique, ou de phénomènes de cavitation par exemple. Les effets sont très différents non seulement du point de vue purement physique, mais surtout dans leur modélisation mathématique. Cependant, les effets biologiques, nécessaire, utiles, ou pathologiques qui découlent du transfert énergétique présentent de nombreuses similitudes. 2

3 _ Effets biologiques des rayonnements les rayonnements ionisants, comme non ionisants peuvent avoir des effets délétères, nuisibles à la santé, ou au contraire utiles et même nécessaires à la vie. Si l effet bénéfique des rayonnements ionisants connu sous le terme d hormésis est discutable, l effet nuisible des fortes doses est patent. L action utile ou délétère des rayonnements non ionisants, ceux du soleil de manière exemplaire, sur la notion même de vie est indiscutable. Exemples d effets utiles: - photosynthèse : toute l énergie des processus vivants est issue de la photosynthèse. L énergie ondulatoire d origine photonique est transformée en énergie cellulaire par l intermédiaire de la synthèse glucidique. - synthèse de la vitamine D : la photosynthèse de la vitamine D active, par hydroxylation hépatique et rénale dépend d un substrat, le 7-déhydrocholestérol, lui même issu de molécules stéroliques modifiées sous l influence du rayonnement solaire. Exemples d effets délétères : - Le banal coup de soleil est un effet précoce, directement lié à l intensité de l exposition au rayonnement. On décrira ce genre d effet sous le vocable de déterministe. - Le mélanome, ou nævo-carcinome, est une tumeur maligne de la peau. Ce cancer agressif est directement lié à une exposition excessive au soleil, particulièrement pendant l enfance. Des facteurs génétiques sont surajoutés. Il s agit d un exemple d effet tardif, parfois plusieurs dizaines d années après l exposition, de type aléatoire appelé aussi effet stochastique. Ces exemples illustrent la complexité de l interaction entre rayonnement et milieu biologique. Selon l intensité et la nature du rayonnement, l absorption d énergie peut se faire au niveau du noyau d un atome composant la molécule, au niveau d un de ses électrons ou plus globalement par transfert d énergie de translation, de vibration ou de rotation moléculaire. En imagerie médicale, seules les ondes électromagnétiques ionisantes (radiologie, médecine nucléaire...) et les ondes hertziennes (imagerie par résonance magnétique nucléaire) ont été abordées. 3

4 _ Effets biologiques des rayonnements Le spectre électromagnétique complet, étudié en photobiologie et en radiobiologie est schématisé ci-dessous. ionisantes non ionisantes 100 nm 400 nm 0,8 µm 800 nm 1000 µm 1 mm 1 m 1000 mm 3000 m 3 km λ E 12,4 ev 3,1 ev 1,6 ev 1,24 mev 1,24 µev 1,24 nev rayons X ou gamma ultraviolet visible infrarouge micro-ondes ondes hertziennes Des hautes énergies vers les faibles, on décrit les rayonnements ionisants, les ultraviolets, la lumière visible, les infrarouges (de 800 nm à 1 mm), les micro-ondes (de 1 mm à 1 m) puis les radiofréquences (1 m à 3 km). II LES RAYONNEMENTS NON IONISANTS Faute d un terme collectif plus satisfaisant, on regroupe sous le terme de rayonnements non-ionisants l ensemble des phénomènes ondulatoires dont l énergie est insuffisante pour supprimer une liaison d un électron à son noyau atomique. Il peut s agir de rayonnement de type électromagnétique, de faible énergie ( inférieure à 12,4 ev), comprenant les ultraviolets, le visible et l infrarouge, y compris une émission particulière, le LASER, ainsi que d autres ondes d importance médicale, comme les ultrasons. Les énergies de transition mises en œuvres sont plus faibles que pour les énergies de liaison électroniques. 4

5 _ Effets biologiques des rayonnements II - 1 ) Ondes électromagnétiques On peut illustrer cette absorption d énergie par une analogie entre le modèle atomique de BOHR pour l atome d hydrogène, et un modèle moléculaire très simple, le modèle diatomique. - énergie de liaison électron-noyau ( environ - 13,6 ev) Domaine des rayonnements ionisants. L K - énergie de translation ( environ - 1 ev) Domaine du visible ou de l infrarouge proche. E r E t - énergie de vibration E v ( environ - 0,1 ev) Domaine du rayonnement infrarouge. - énergie de rotation ( environ ev) Domaine du rayonnement infrarouge lointain. Comme dans le cas de l absorption ou de l émission d un photon lors de transitions électroniques, par exemple entre la couche K et la couche L, un échange d énergie est possible au niveau moléculaire par variation énergétique discrète, c est à dire quantifiée. Un photon d énergie bien définie E = h ν en résonance avec la liaison peut être échangé, qu il s agisse d une énergie électronique, ici moléculaire et non plus atomique, d une énergie de translation, de vibration ou de rotation. Pour une molécule biologique, que l on admet au repos, la répartition de l énergie paraîtra continue. On parle alors de spectre de bande, bien qu il s agisse d une multitudes de raies isolées, très rapprochées. L énergie quantifiée d émission ou d absorption sera la somme des énergies électronique, de vibration et de rotation. E mol. = E é + E v + E r ( rem. : E t = 0 au repos ; E é >> E v >> E r ) Toutes ces énergie ne sont nulles qu à la température du zéro absolu. ( 0 K, ou - 273,15 C) 5

6 _ Effets biologiques des rayonnements Les résultats déduits du modèle diatomique, ou polyatomique linéaire sont résumés cidessous. E mol. 2 1 r 0 r 1 r Δ r Δ v Δ é E mol. = énergie potentielle de la molécule r = distance interatomique. Pour r proche de 0, il y a répulsion des deux atomes, l énergie potentielle est positive, il n y a pas de liaison. Pour r suffisamment grand, les atomes n interagissent pas, il n y a pas de structure moléculaire. r 0 et r 1 = distances interatomiques correspondant à des état électroniques stables. Δ é, Δ v, Δ r sont les énergies de transition électronique, de vibration et de rotation. II - 2 ) Ondes mécaniques Les bases physiques ainsi que les propriétés biophysiques des ultrasons (ondes mécaniques) sont traités en imagerie médicale. (cf. Imagerie Médicale p.78). Le transfert énergétique dépend de vibrations moléculaires propagées de proche en proche dans un milieu matériel, modifiant l énergie de translation. Il peut ainsi apparaître des variations microscopiques de l état thermodynamique de la matière irradiée. Le phénomène le plus connu est celui de la cavitation, qui par création de microbulles de gaz à des pressions supérieures à des centaines ou des milliers d atmosphères aboutit à des lésions moléculaires, cellulaires ou tissulaire. La modification de l état énergétique cinétique d une molécule d intérêt biologique peut aboutir à des effets macroscopiques précoces ou tardifs. Par exemple, il a été démontré que la rupture d une molécule d ADN est possible autour de son centre par irradiation d une solution par des ultrasons de basse fréquence, mais aussi par des ultrasons de fréquence du domaine de l imagerie médicale. Des effets génétiques des ultrasons paraissent ainsi possibles. 6

7 _ Effets biologiques des rayonnements Ils n ont cependant jamais été mis en évidence du fait de leur rareté théorique, mais aussi des très efficaces mécanismes de réparation moléculaire ou cellulaire, particulièrement pour les molécules d ADN. III LES RAYONNEMENTS IONISANTS En pratique, il s agit des rayons X ou gamma, mais aussi de certains rayonnements particulaires, essentiellement les électrons. On verra d ailleurs que la quasi-totalité du dépôt d énergie contribuant à la dose absorbée provient de l énergie cinétique des électrons. III - 1) Exposition aux rayonnements ionisants Il convient de distinguer en radiobiologie deux classes de rayonnements : - les particules possédant une charge électrique (électrons, protons, particules alpha, ions...) : rayonnements directement ionisants. - les particules neutres comme les neutrons, les photons, les rayons X ou γ : rayonnements indirectement ionisants. On rappelle (cf. Imagerie Médicale p.8) qu un rayonnement ionisant est capable d arracher un électron à un atome, il faut que l énergie soit pratiquement supérieure à 10 ev. Cet effet atomique est suivi d une cascade de phénomènes chimiques, moléculaires et biologiques. La réaction biologique amplifie de manière considérable l effet physique du transfert initial d énergie. La source d irradiation est à l intérieur ou à l extérieur de l organisme. La matière vivante peut être soumise à une irradiation externe ou exposition externe essentiellement par des rayons X ou γ, mais aussi par des rayonnements neutroniques ou protoniques. L exposition interne ou contamination survient après l assimilation par un organe, donc par une cellule, d un élément radioactif. Les radioéléments peuvent émettre de nombreuses particules : X, γ, β, neutrons, protons, α, fragments ioniques, etc. Chaque particule interagit en fonction de sa nature et de son énergie, ce qui rend les études d absorption d énergie aussi complexes que spécialisées. On verra que les effets biologiques des rayonnements ionisants sont toujours issus du transfert de l énergie cinétique d électrons primaires ou secondaires aux molécules d intérêt biologique, particulièrement protéines, ADN ou acides gras. 7

8 _ Effets biologiques des rayonnements III - 2) Rayonnements directement ionisants Les particules chargées, électrons, protons, particules α... sont directement ionisantes. Par interaction coulombienne, ces particules munies d une grande énergie cinétique, perdent leur énergie dans le milieu biologique en éjectant directement des électrons, eux même secondairement ionisants. En pratique on distingue les particules selon leur masse : particules chargées lourdes ou particules chargées légères. - particules chargées légères : électrons, rayonnements β- et β+, électrons de conversion interne, électrons Auger...Toutes ces particules ne différent que de par leur mode de production et sont de nature fondamentalement identique. Le terme générique d électron sera appliqué à ces particules. - particules chargées lourdes : protons, particules α, ions lourds, résidus de fission nucléaire...le comportement dans la matière de ces entités est soumis aux mêmes lois que les particules chargées légères, cependant l effet de la masse intervient, ce qui a l avantage de simplifier l étude mathématique et physique. Pour un rayonnement particulaire, un flux de particules traversant une région de l espace est caractérisé par une grandeur : la fluence particulaire. C est le nombre des particules qui traversent le disque de surface S, issu de la sphère élémentaire. (section droite de la sphère) S L unité s exprime en nombre de particules par mètre carré : Φ = N S Le débit de fluence est le nombre de particules par mètre carré et par seconde. Il existe d autres unités dérivées, comme la fluence énergétique qui s exprime en Watts, ou en MeV par seconde. La grandeur caractéristique du rayonnement particulaire, la fluence, est facilement mesurable à l aide de détecteurs adaptés. L interprétation physique de la surface S correspond en pratique à la section efficace théorique et peut être généralisé à de nombreux phénomènes, physiques ou biologiques. 8

9 _ Effets biologiques des rayonnements III ) Particules chargées légères (électrons) Eu égard à leur grande importance pratique, on étudiera de façon assez exhaustive l interaction de ces particules. Les électrons qui pénètrent dans la matière vivante possèdent une vitesse, c est à dire une énergie cinétique par essence transférable par des chocs. Lors de chaque interaction ponctuelle avec les atomes du milieu, l énergie cinétique diminue de manière discontinue. La diminution de l énergie cinétique est directement liée à la diminution de la vitesse de l électron le long de la trajectoire : c est le phénomène de ralentissement. Le ralentissement ne se réduit pas au transfert d énergie cinétique à des électrons atomiques du milieu. Les électrons sont aussi en état d interagir avec le champ du noyau de l atome, et produire un rayonnement de freinage (cf. Imagerie Médicale p. 14 ). Le rayonnement de freinage, fondamental en imagerie, car à la base de la production des rayons X, est secondaire sinon complètement négligeable pour le ralentissement des électrons par les milieux biologiques. De façon encore plus exceptionnelle dans le domaine énergétique médical, les particules peuvent agir directement sur le noyau atomique par phénomène de capture. Des noyaux instables radioactifs sont alors créés, ou alors on observe la rupture du noyau en ions lourds : c est la fission provoquée. Après avoir précisé le concept d énergie cinétique, on détaillera les collisions électroniques, phénomène fondamental de la radiobiologie. III i ) l énergie cinétique La théorie de la relativité (Einstein 1905) permet de prévoir un comportement différent des particules en fonction de leur vitesse, la masse de la particule tendant vers l infini lorsque la vitesse tend vers la célérité de la lumière. En fonction de l énergie, l électron sera traité comme une particule classique, ou bien relativiste. En mécanique classique, l énergie cinétique dépend du carré de la vitesse : E cin. = 1 2 m v 2 m est la masse qui est constante, v est la vitesse liée à l énergie. 9

10 _ Effets biologiques des rayonnements En mécanique relativiste, la masse n est plus constante, l énergie cinétique est exprimée par la relation : E cin. = ( m m 0 ) c 2 (et non pas E = m c 2, équation souvent exposée, mais qui ne signifie pas grand chose) = m 0 c v 2 c 2 1 m 0 = 0,511 MeV / c 2 = 9, kg. (m - m 0) / m 0 On en déduit aisément le rapport entre l énergie cinétique et l énergie au repos : m m 0 m 0 = 1 1 v 2 c 2 1 v/c = E cin. E rep. Le domaine d énergie électronique exploité en médecine est de l ordre de quelques kev à quelques MeV. Pour fixer les idées, admettons les limites arbitraires de 20 kev et de 20 MeV. E cin. [ 0, 02, 20 ] MeV L énergie de 20 kev est l ordre de grandeur des électrons accélérés produisant les rayons X mous, en général supprimés par filtration en imagerie. L énergie de 20 MeV est atteinte dans les accélérateurs d électrons employés en radiothérapie cancéreuse (canons à électrons). S il est évident que les électrons de haute énergie, pour fixer les idées, supérieure au MeV doivent être modélisés à partir de la théorie relativiste, il convient de préciser cette notion en exprimant la relation liant la vitesse et l énergie cinétique exprimée en MeV. 10

11 _ Effets biologiques des rayonnements De E cin. = m 0 c v 2 c 2 1, on déduit aisément m 0 c 2 E cin. + m 0 c 2 2 = 1 v 2 c 2, d' où v c = 1 m 0 c 2 E cin. + m 0 c 2 Il reste à évaluer l évolution de la vitesse relative de l électron par rapport à celle de la lumière, en fonction de l énergie exprimé en MeV, soit la relation v/c = f ( MeV) Une analyse graphique repère quelques valeurs significatives : 10 kev -> 0,01 MeV -> 0,14 0,02 -> 0,19 0,05 -> 0, kev -> 0,1 -> 0,40 0,5 -> 0,70 1 MeV -> 0,81 5 -> 0, > 0, > 0, > 0,98 Ceci suggère que jusqu à 200 kev, les électrons peuvent être considérés comme non relativistes. Dès 0,5 MeV, la théorie relativiste doit s appliquer afin d adapter la théorie aux résultats expérimentaux. On admettra de façon arbitraire, que les électrons d énergie inférieure à 0,5 MeV sont non relativistes. Bien entendu on accepte une erreur qui sera évaluée ci-dessous. L exposé de ces notions n a pas d autre but que de faire comprendre la difficulté théorique de la dosimétrie et le caractère illusoire de définir des «doses» avec précision. La mécanique classique est une approximation de la mécanique relativiste pour des vitesses faibles par rapport à la célérité de la lumière. Aux faibles vitesses, on retrouve aisément la formulation classique de l énergie cinétique à partir de l expression générale de la mécanique relativiste. 11

12 _ Effets biologiques des rayonnements E cin. = ( m m 0 ) c 2 = m 0 c 2 ( 1 1 v2 c 2 m 0 c 2 ( ( v 2 c 2 1 ), pour v << c, alors ) 1 ) = 1 2 m 0 v 2, qui est l' exp ression classique. Cette technique mathématique est appelée développement limité au premier ordre. m m 0 f ( E ) cin. relativiste Δ = 16 % f ( E ) cin. premier ordre E cin. ( MeV ) Représentation graphique du rapport des masses (masse mouvement / masse au repos) en fonction de l énergie exprimée en MeV, dans l intervalle 0,20 à 1 MeV. f ( E cin. ) relativiste représente la courbe réelle de la variation relative de masse. f ( E cin. ) premier ordre est celle de l approximation de la mécanique classique, d autant plus correcte que la vitesse de la particule est petite devant celle de la lumière. Sans précaution, on néglige des erreurs de l ordre de 10 à 20 % III ii ) Collisions électroniques Quelque soit le rayonnement initial, l interaction matière-rayonnement aboutit à un transfert énergétique sous forme d énergie cinétique électronique. Les électrons sont ensuite ralentis en excitant ou en ionisant les atomes du milieu. Le terme de collision, s il n est pas impropre, est très ambigu. La représentation de l électron par l image d une particule sphérique bien localisée subissant des collisions, chocs ou autres impacts est fausse, ce n est même pas une approximation valable aux faibles vitesses. Traitons le cas en mécanique classique d une collision entre un électron possédant une énergie cinétique due à la vitesse v 0 avec un électron atomique du milieu biologique supposé au repos pour faciliter la formulation mathématique. Le choc est élastique, ce qui est une hypothèse réaliste ici, d absence de modification de l état interne de l électron durant l impact. 12

13 _ Effets biologiques des rayonnements Les principes fondamentaux de la conservation de l énergie du système et de la conservation de l impulsion se mettent aisément en équation. Le choc est supposé frontal, ce qui correspond au transfert maximal d énergie. Toutes les vitesses sont orientées sur l axe de la particule incidente. Les calculs se réduisent à ceux de l amplitude des vecteurs. v = v 0 avant le choc v = 0 conservation de l impulsion : m 1 m 2 après le choc v = v 1 v = v 2 m 1 m 2 m 1 v 0 = m 1 v 1 + m 2 v 2 conservation de l énergie cinétique : 1 2 m 1 v 2 0 = 1 2 m 1 v m 2 2 v 2 Le problème physique posé, dans le cas général de deux particules de masse différentes, se réduit à la résolution d un système de deux équations à deux inconnues, v 1 et v 2 sont à rechercher en fonction de v 0. En posant α = m 2 m 1 les deux principes de conservation se résument à : v 0 = v 1 + αv 2 et 2 v 1 = ( 1 α ) v 2, d' où la solution ( il suffit d' exp rimer v 1 en fonction de v 0 et de v 2 ) v 1 = v 0 1 α 1 + α et v 2 = v α On en déduit facilement la valeur des énergies cinétiques en fonction de l énergie cinétique de la particule incidente : E 0 = 1 2 m v 2 1 0, E 1 = 1 2 m v et E 2 = 1 2 m v α il vient E 1 = E α 2 = E 0 ( m 1 m 2 ) 2 ( m 1 + m 2 ) 2 et E 2 = E 0 4 α (1 + α ) 2 = E 0 4 m 1 m 2 ( m 1 + m 2 ) 2 Nous étudions le ralentissement d électrons par d autres électrons, les masses des particules en interaction sont bien entendu identiques, puisque l on a supposé être dans le cas classique, la correction relativiste étant négligeable en première intention. 13

14 _ Effets biologiques des rayonnements Dans le cas où m 1 = m 2 = m e, m e étant la masse de l électron au repos. ( 0,511 MeV / c 2, ou 9, kg ), la théorie classique, purement particulaire est fausse. En effet pourα = m e m e = 1, v 1 = 0 et v 2 = v 0. La totalité de l énergie serait transférée de l électron incident à l électron atomique. En réalité, il est impossible de distinguer la particule incidente de la particule heurtée, sauf si l on admet que la particule incidente possède l énergie la plus élevée, après l interaction, ce qui est raisonnable dans les conditions biologiques. Alors, le transfert d énergie varie de 0 à E cin.. La collision est une interaction 2 1 e 2 coulombienne à courte distance F =, r est la distance entre le l électron incident, 4 π ε 0 r 2 e inc. et l électron atomique, e atom.., e est la charge de l électron. e inc. e évènement atom. Pour les hautes énergies (> 0,5 MeV ), la particule est peu déviée de sa trajectoire initiale. Les transferts énergétiques sont rares. e inc. évènement e atom. Pour les faibles énergies, environ 100 kev, c est à dire en fin de trajectoire, les déviations sont beaucoup plus importantes, les événements beaucoup plus fréquents. 1 Mev 0,5 Mev 100 kev En ce qui concerne les particules chargées légères, type électron, l épaisseur de pénétration est importante, le trajet est chaotique, mais il existe un parcours moyen orienté par le vecteur représentant l énergie cinétique de l électron incident. 14

15 _ Effets biologiques des rayonnements Pour les tissus mous, ou pour l eau, ainsi que pour les énergies habituelles, c est à dire inférieures à 10 MeV, le parcours moyen de ces électrons est de l ordre de 0,5 cm/mev (5 mm/mev). Le transfert d énergie associée, plus exactement le transfert d énergie linéique est : T.E.L. = Δ E 1000 kev = Δ x 5000 µm = 0,2 kev.µm 1. En fin de parcours, le densité d ionisation est beaucoup plus grande et correspond à un T.E.L. de l ordre de 2 kev par micromètre. On voit de façon paradoxale qu un rayonnement énergétique peut être moins irradiant qu un rayonnement initialement plus énergétique. Pour fixer les idées, le rayonnement β de l Iode 131, d énergie moyenne de 190 kev parcourt environ 1 mm dans la matière. Ces remarques montrent que les particules chargées légères peuvent être dangereuses aussi bien en l exposition externe qu en exposition interne. Mais ces propriétés sont aussi utilisées en thérapeutique, en radiothérapie métabolique, ou en radiothérapie externe pour traiter certaines pathologies. III iii ) Rayonnement de freinage Il s agit d un type d interaction fondamental entre les électrons et les éléments lourds. Cette interaction est le mécanisme primordial de la production des rayons X.(cf. Imagerie Médicale p ). e inc. Z e + e - émission photonique trajectoire initiale En utilisant les notations précédentes, la force d interaction coulombienne s écrit : noyau de l'atome F = 1 Z e 2 4 π ε 0 r 2 Le principe fondamental de la conservation de l énergie s écrit ici : h ν = E cin. ( incidente) E cin. (déviée) La perte d énergie par ce mécanisme dépend de Z et on rappelle que plus de 95% de la matière vivante est composée d atomes légers : 1 H ; 6 C ; 7 N ; 8 O, alors que la production de rayons X intégrait l utilisation d anode en tungstène dont le numéro atomique est 74 ( 74 W). 15

16 _ Effets biologiques des rayonnements Ce mode de ralentissement électronique est théoriquement envisageable, cependant on peut le considérer comme négligeable pour les milieux biologiques qui sont au centre de nos intérêts. III ) Particules chargées lourdes Les particules chargées lourdes proviennent de la désintégration de radioéléments ou des accélérateurs de particules (recherche, industrie ou médecine). Les principales sont les protons, H + ou (p), les deutons, 2 1 H + ou (d), les noyaux d hélium, 4 2 H + + ou (α) et les ions lourds, produits de fission comme par exemple l ion carbone, 12 6 C 6+. L énergie cinétique est proportionnelle à la masse, du moins en mécanique classique, donc pour des particules suffisamment ralenties pour transférer une grande quantité d énergie. Lors de leur création, ces particules sont monoénergétiques, leur spectre est un spectre de raie. Pour les particules lourdes chargées, l interaction se fera avec les noyaux atomiques, ou bien avec les électrons périphériques. III i ) Interactions électroniques Le ralentissement provient d excitations ou d ionisations des atomes du milieu. Le T.E.L. dépend de la charge et de l énergie de la particule incidente, ainsi que de la densité d électrons du milieu irradié : T.E.L. = Δ E Δ x = K z2 v 2. d. Z z 2 2 dépend de la charge et de v l énergie de la particule d. Z, produit de la densité et du numéro atomique du milieu irradié, est proportionnel au nombre d électrons. Lors du ralentissement, z peut varier (capture d électrons) et v diminue par définition, ce qui augmente la durée de l interaction coulombienne. De ce fait, en fin de parcours, la densité d ionisations augmente rapidement, le dépôt d énergie s accroît brutalement. énergie déposée ionisations par mm distance (mm) distance parcours Les courbes de BRAGG 16

17 _ Effets biologiques des rayonnements explicitent ces résultats expérimentaux, représentés par le schéma d un cliché obtenu dans une chambre à bulles, ou dans une chambre à brouillard. La densité d ionisations est importante, la trajectoire est courte et rectiligne, le parcours est faible. Les particules α émise par le polonium ( Po ) ont une énergie de 5.3 MeV. Ce sont ces rayonnements qui ont permis par expériences de diffusion de décrire le modèle planétaire de l atome (Rutherford 1911) et de découvrir la radioactivité artificielle ( Irène et Frédéric Joliot- Curie 1934). Dans l air ou dans l eau, le rayonnement est arrêté après avoir produit environ ionisations, lors d un parcours évidemment fonction du matériau irradié. matériau TEL parcours air 0,14 kev / µm 39 mm eau 130 kev / µm 50 µm aluminium 240 kev/ µm 22 µm Lors d une exposition externe, ces rayonnements sont arrêtés par une simple feuille de papier, mais ils sont évidemment dangereux s ils sont émis à l intérieur de l organisme, dans le cas d une exposition interne. III ii ) Interactions nucléaires Les particules lourdes chargées peuvent être captées par le noyau des atomes, rendant ces derniers instables, ou provoquent une fission dans certains cas. Ces phénomènes de capture nucléaire existent, mais sont négligeables en radiobiologie et en médecine. Pour les particules chargées, l interaction coulombienne est prédominante. Ce n est pas le cas des particules non chargées qui sont indirectement ionisantes. III - 3 ) Rayonnements indirectement ionisants Les neutrons et les photons ( X ou γ ), dépourvus de charge électrique, ne peuvent interagir par effet coulombien. Lors des collisions, l énergie est transférée aux électrons ou au noyaux du milieu. L expérience montre que des protons (noyau d hydrogène), ou des électrons (électrons périphériques de l atome) sont éjectés lors de ce transfert énergétique. Ces particules chargées munies d une énergie cinétique sont ionisantes, mais de façon secondaire. C est pourquoi les neutrons et les photons sont qualifiés de secondairement ionisants. 17

18 _ Effets biologiques des rayonnements III ) Rayonnement neutronique Les neutrons présentent peu d intérêt en radiothérapie, sauf dans le domaine de la recherche. Par contre ces particules posent de nombreux et difficiles problèmes de radioprotection (centre de production d électricité nucléaire, bombe thermonucléaire à neutrons). Des expériences portant sur les rayons pénétrants ne pouvaient être interprétées par interaction photonique. En 1932, le physicien anglais CHADWICK émit l hypothèse d un rayonnement neutre, ou neutron, capable de provoquer le mouvement des noyaux légers. Depuis, on sait que les neutrons sont des nucléons, composant des noyaux atomiques. distibution de charge proton neutron Le neutron est globalement électriquement neutre, contrairement au proton de charge +1. Sa masse au repos est légèrement supérieure à celle du proton (1,675 contre 1, kg). r (fermi) L équivalent énergétique est de 939,57 MeV, à comparer à 0,511 MeV pour celui de l électron. Dans les milieux biologiques, les neutrons sont essentiellement ralentis par des collisions élastiques avec des noyaux légers, principalement avec les protons, donc les noyaux d hydrogène. Ces noyaux sont évidemment constitutifs des molécules d eau des l organismes vivants (65 % en masse pour l adulte jeune). La modalité d interaction dépend de l énergie cinétique initiale des neutrons, qui sont de manière générale émis lors de désintégrations radioactives. énergie interaction neutrons rapides > 1 MeV diffusion élastique neutrons épithermiques 1 ev à 20 kev diffusion inélastique et capture radiative neutrons thermiques (lents) < 1 ev (0,025 ev à 20 C) capture nucléaire 18

19 _ Effets biologiques des rayonnements En fin de compte, l énergie sera transmise à des électrons secondaires, directement ionisants, qui seront responsables des effets biologiques. III i ) Diffusion élastique Dans la matière, les neutrons rapides ne peuvent interagir qu avec les noyaux des atomes constituants le milieu. De chaque «choc» résultent une modification de la trajectoire et une diminution d énergie de la particule incidente. ni noyau n s Ce phénomène est la diffusion. Lorsque la perte d énergie se résume à une perte d énergie cinétique, la diffusion est dite élastique. E cin. (n. secondaire) < E cin. (n. incident) C est l effet le plus important pour le ralentissement neutronique dans les tissus vivants. E Expérimentalement, la moyenne du transfert énergétique des collisions est cin. (n i ), les 2 extremums étant 0 et E cin. (n i ). Le transfert maximal s effectue lors d un choc frontal, si le neutron interagit avec un noyau d hydrogène (proton). n i noyau L analyse physique en mécanique classique permet de prévoir théoriquement ces phénomènes. En reprenant les calculs de la page 12, et en notant m n la masse du neutron, m noy. celle du noyau cible et A le nombre de masse de l atome, les énergies transférées en fonction de E 0, énergie du neutron incident s écrivent : ( ) 2 E ( ) 2 0. m n m noy. E n = E 0 m n + m noy. E noy. = E 0 4 m n. m noy. E ( m n + m noy. ) 2 0. ( 1 A) A ( ) 2 et 4. A ( 1 + A) 2 Pour A = 1, donc pour le noyau l hydrogène, l énergie du neutron est nulle après interaction, toute son énergie cinétique est transférée, E noy. = E 0. Le neutron rapide se transforme en un neutron thermique lors d un seul choc. 19

20 _ Effets biologiques des rayonnements éléments α = m noy. m n A énergie du neutron (après collision) énergie du noyau (après collision) 1 1 H 1 0,0 % 100 % 12 6 C 12 71,6 % 28,4 % 16 8 O 16 77,9 % 22,1 % Ca 40 90,5 % 9,5 % Pb ,1 % 1,9 % Ces quelques valeurs numériques représentatives du milieu biologique et d un solide utilisé en radioprotection montrent qu ils est illusoire de se protéger contre un rayonnement neutronique par du plomb. L eau, ou le béton (eau et granulats liés par un ciment) sont nettement plus efficaces. III ii ) Diffusion inélastique Lorsque le neutron est ralenti, il devient épithermique (cf. tableau au bas de la page 16). Le transfert est toujours dû à l énergie cinétique, mais une partie de l énergie incidente est captée par le noyau dont le nombre de masse passe de A à A +1. Ce dernier noyau, alors en excès de neutrons est instable, il se désintègre par différents processus. le plus souvent un rayon γ désexcite le noyau, mais il peut y avoir d autres réactions, comme une émission protonique, une émission α ou un phénomène de fission. III iii ) Capture nucléaire La faible vitesse de neutrons thermiques augmente leur probabilité d être capté par un noyau atomique, puisque le neutrons sont insensibles à l interaction coulombienne et ainsi ignorent la barrière de potentiel atomique. Par exemple, un neutron de 2 MeV, après avoir subi 18 collisions dans l eau, ou 110 collisions dans le graphite (l ordre de grandeur du parcours moyen entre deux collisions est le cm), le neutron a une énergie inférieure à 1 ev. La capture par les noyaux est alors le mécanisme qui prédomine. La capture neutronique dépend du type de noyau, c est un mécanisme important qui permet d analyser les noyaux radioactifs créés après irradiation neutronique, par exemple par la mesure du sodium 24. Ce phénomène permet d analyser le contenu en éléments de la matière vivante, ou non : c est l analyse par activation. 20

21 _ Effets biologiques des rayonnements Il permet enfin de fabriquer de nombreux radioéléments (exemples dans le tableau cidessous). * Z, A + 1 γ Z, A He (n, p ) 3 1 H ou 6 3 Li ( n, α ) 3 1 H pour la fabrication du tritium. n therm. Z, A Z, A + 1 Z, A - n p, n, α, N ( n, p ) 14 6 C réaction dans la haute atmosphère produisant le carbone 14 employé depuis 1940 en datation archéologique. III ) Rayonnement photonique Les rayonnements X ou gamma dont la charge électrique est nulle (rayonnement électromagnétique) ne sont pas directement ionisants. Ce sont des rayonnements très pénétrants qui interagissent essentiellement par les trois effets classiques : photoélectrique, Compton et création de paires électron - positon. On négligera les rares effets photonucléaires dus à la capture d un photon par les atomes du milieu. Ces trois types de phénomènes microscopiques transfèrent de façon indirecte l énergie à des électrons atomiques, dont l énergie cinétique causera les dégâts biologiques. Le point du milieu irradié siège d un des phénomènes primitifs est appelé point de transfert. L énergie transférée sera absorbée plus loin, dans la direction ou non du faisceaux incident et peut être responsable d effets biologiques à distance. Les rayons X ou γ diffèrent par leur mode de production, les premiers étant d'origine électronique, les seconds d'origine nucléaire. La répartition de l énergie lors de l émission se présente sous forme de spectre de raies ( γ ou X de fluorescence), ou sous forme de spectre continu (rayonnement de freinage). Lors de l interaction avec la matière, il est impossible de distinguer sur le plan particulaire entre ces deux rayonnements électromagnétiques. Les phénomènes microscopiques sont strictement identiques. Les interactions des rayons électromagnétiques avec la matière, ainsi que les phénomènes d atténuation ont été détaillées précédemment (cf. Imagerie Médicale p.23 à 33). En annexe, (cf. Imagerie Médicale p.48 à 53) ont été précisées les parts respectives des différents effets pour deux milieux fondamentaux : l eau et le plomb. On peut imaginer les difficultés, non pas pratiques, mais intellectuelles, d appréhender une notion semblant évidente, celle d écran protecteur. 21

22 _ Effets biologiques des rayonnements Le schéma ci-dessous résume les mécanismes fondamentaux d interaction. hν (1) e - hν (2) e - hν' 1 - effet Compton Z e + e effet photoélectrique hν (3) e + hν e - e + hν 0 0 annihilation 3 - matérialisation, suivie d une annihilation et émission de deux γ de 0,511 MeV. L effet Thomson-Rayleight n a que peu d intérêt pour les conséquences biologiques, puisqu il n y a pas de transfert énergétique. L effet de matérialisation qui était négligeable en imagerie n a plus de raison d être ignoré, car significatif dès que l énergie du faisceau incident dépasse le MeV. Suite à un des trois effets fondamentaux, le photon primaire transmet son énergie cinétique aux électrons atomiques de la matière. Effet photoélectrique : E cin. = h.ν E liaison E cin. = h.ν h.ν ' Ces électrons secondaires sont Effet Compton : souvent appelés rayons delta ( rayons δ ). Ils transmettent leurs E cin. = h.ν 1, 02 MeV propres énergies cinétiques, en Création de paires : général à distance. Les électrons négatifs et positifs ont le comportement radiobiologique des particules chargées légères, tout comme les particules β et β + (cf. p.7), sauf en ce qui concerne l annihilation qui suit la perte totale de l énergie cinétique, contemporaine de l émission de deux photons de 0,511 MeV, émis en coïncidence temporelle et spatiale. 22

23 _ Effets biologiques des rayonnements Le transfert d énergie linéique, exprimé en kev par µm est directement lié à la Densité Linéaire d Ionisation (DIL = nombre d ions crées par µm). La valeur moyenne d ionisation pour l eau ou les tissus mous est estimée approximativement à 34 ev, d où la relation : TEL = 34 ev. DLI Les différents rayonnements, ionisants et non ionisants présentent des aspects variés d interaction avec les milieux biologiques. Leurs effets sont directement liés au mode de transfert énergétique. Il en découle la notion de dose, difficile à comprendre, et bien trop souvent mal interprétée. IV L ABSORPTION D ENERGIE : NOTION DE DOSE Le terme de dose est d emploi délicat en raison de la multiplicité de ses acceptions. En médecine générale, la «dose» d un antibiotique s exprime en mg ou en g par kg de poids corporel. Il conviendrait dans ce cas de parler de posologie. En radiobiologie, la notion de dose n a de sens que munie d une épithète, et est directement liée au dépôt d énergie dans le tissu vivant. On définira de manière rigoureuse la signification de dose transférée, de dose absorbée, de dose efficace et d équivalent de dose. En pratique, la notion de norme, essentielle en radioprotection et trop souvent mal interprétée, est en fin de compte celle des limites de doses acceptées pour une activité humaine. La réalité du transfert d énergie d un rayonnement vers la matière est un fait expérimental bien documenté, intuitif comme l infrarouge dilatant le mercure du thermomètre ou le soleil qui chauffe, parfois plus que de raison, le tissu cutané. Ces modifications thermiques ont une origine moléculaire par modification de l énergie cinétique ou de l état de vibration et de rotation des molécules constitutives du milieu. Par contre, le transfert énergétique lors de l interaction matière-rayonnement pour les rayonnements ionisants est de toute autre nature, qui parait plus mystérieuse. La description phénoménologique précédemment exposée des nombreux processus en cause doit faire comprendre leurs multiples difficultés, mais aussi faire admettre qu ils s agit d un des domaines de la physique parmi les plus explorés, expérimentés et expliqué selon les théories physiques et biologiques actuellement valables. IV - 1 ) Dosimétrie des rayonnements non ionisants Pour tout rayonnement, il existe une relation entre la «dose» absorbée et l effet biologique. Classiquement on distingue : 23

24 _ Effets biologiques des rayonnements - la radiométrie dont les unités sont dérivées des unités de la thermodynamique - la photométrie, lorsque le récepteur d énergie est l œil humain. Le seul récepteur qui fournit une mesure directe de l énergie absorbée est le récepteur thermique intégral ou corps noir. La théorie du corps noir présentée en annexe sur un mode historique mérite pour le moins une lecture attentive, les notions introduites sont génératrices de la conception actuelle de la physique théorique et appliquée. IV ) Radiométrie Ci-dessous, on ne fait que rappeler les unités des grandeurs radiométriques, pour une source peu étendue et polychromatique. Φ S = E t Le flux énergétique est l énergie qui traverse une surface donnée en une seconde. en J.s -1 = Watt E = d Φ d S L éclairement énergétique est le flux énergétique reçu par une surface élémentaire ds (caractérise l écran). en W.m -2 carré) (watt par mètre J = d Φ d Ω L intensité énergétique est le flux ramené à l angle solide (caractérise l écran). en W.sd -1 (watt par stéradian) Si on connaît la dose de rayonnement ultraviolet qui provoque un effet, tel qu une brûlure du premier degré ou une kératite, il faut pouvoir mesurer le risque, donc les grandeurs énergétiques associées. On en déduit des valeurs dérivées, qui permettent avec une grande sécurité d autoriser une exposition, professionnelle par exemple, ou d édicter des conseils pour le public en général. Par exemple la dose érythémateuse minimale pour les rayons ultraviolets de 315 à 400 nm, ( UV A), est : < 10 W.m -2 pendant 10 3 s (environ 17 mn) ou < 10 kj. m -2 pour une exposition plus courte. exposition maximale raisonnable limite de danger zone d'incertitude énergie absorbée 24

25 _ Effets biologiques des rayonnements La courbe ci-contre montre les valeurs de seuil en fonction de la longueur d onde pour une exposition aux UV d une durée de huit heures. - en abscisse : longueur d onde en nm pour les UV. B - en ordonnées : seuils d exposition en J. m -2. Remarque : il ne s agit que de seuils concernant certains effets des fortes doses, de type non stochastiques. Un autre exemple important qui fait intervenir des facteurs d efficacité est celui de la photométrie, le récepteur énergétique étant la rétine. IV ) Photométrie La photométrie s occupe de la meure des interactions photon-matière dans un cas très particulier, mais important. C est celui où le récepteur, c est dire l appareil de mesure est l œil dont la rétine, accompagné de toute la structure d intégration sus-jacente. L étude de ces phénomènes est du domaine de la biophysique sensorielle, nous ne rappellerons que les unités employées. La luminance énergétique est une notion dérivée de l intensité énergétique pour une source étendue. La luminance est liée à la sensation de quantité de lumière perçue par l œil. En fonction de la longueur d onde (dans le domaine de la lumière visible), l œil peut égaliser des luminances pour des luminances énergétiques différentes. Dès 1924, la commission internationale de l éclairage a défini un «œil universel», représenté par la courbe d efficacité lumineuse V( λ ) : c est l observateur de référence. 100 % 50 % V ( λ ) La sensation lumineuse d énergies physiques identiques dépend de la longueur d onde λ (nm) 25

26 _ Effets biologiques des rayonnements I = d F d Ω L intensité lumineuse est le flux ramené à l angle solide. On l exprime en lumen par stéradian. en candela (c est l unité fondamentale) F = S E ds Le flux lumineux dépend de l énergie transportée. en lumen (candela. stéradian) E = d F d S = I dω d S L éclairement est la densité superficielle du flux lumineux reçu par une surface. en lux (lumen par m 2 ) Les caractéristiques physiques d un faisceau de rayonnement ne sont pas, et de loin, suffisantes pour aborder les phénomènes biologiques qui découlent de l interaction matièrerayonnement. IV - 2 ) Dosimétrie en radiobiologie La première mesure de «dose» avait été proposée par LIND en 1911, qui avait observé qu un gramme de radium dans l air produisait 0,7 g d ozone par heure. L imprécision des mesures reste prohibitive. Dans le domaine médical, toutes les interactions des rayonnements ionisants se résument à un transfert d énergie cinétique électronique. L idée de mesurer une charge électrique créée dans l air par un faisceau de rayons X était séduisante. Il est en effet bien plus aisé de mesurer une charge crée dans une petite masse d air, que d apprécier la très faible différence de température associée, ce qui est la méthode de référence. De là découle la notion de dose d exposition. IV ) Dose d exposition La dose d exposition caractérise un faisceau de rayons X ou γ. L unité associée, le RÖNTGEN est importante, tant du point de vue historique que pratique. La méthodologie schématisée ci-contre est simple. Les deux faces d un condensateur recueillent les électrons mis en mouvement lors de l interaction des X et des γ avec les molécules d'air. Le Röntgen (1 R), est la quantité de rayonnement X ou γ qui crée, dans un cm 3 d air une unité électrostatique CGS X ou γ

27 _ Effets biologiques des rayonnements Dans le système MKSA, 1 ues CGS = 3, C. Les équivalences sont nombreuses, à partir de la charge de l électron (- 1, C) et de la masse d un dm 3 d air (1,293 g), on déduit facilement : - 1R -> paires d ions dans 0, g d air - 1R -> 2, C.kg -1-1 C.kg -1 -> 3, R Ce qui est rare pour une unité, sa définition a été de nombreuses fois modifiée, en 1928, 1937, 1956, Des ambiguïtés sont difficiles à lever pour les spécialistes de métrologie, par exemple le rôle des électrons secondaires, ainsi que celui du rayonnement de freinage au grandes énergies. Le Röntgen est directement lié à l énergie transférée, mais l énergie transportée par le faisceau n est pas exactement proportionnelle à l énergie transférée dans l air. En toute rigueur, il faut connaître le spectre énergétique du rayonnement et admettre quelques conditions, comme celle de l équilibre électronique, pour que cette unité soit cohérente. Bien que l unité n ait plus d existence légale depuis 1986, elle a le mérite d être intuitive et pratique. Les appareils de mesure d utilisation courante sont calibrés à partir du Röntgen et parfaitement fiables dans le domaine médical de l utilisation des rayonnements ionisants. IV ) Dose absorbée Lors de l interaction d un rayonnement indirectement ionisant avec un tissu biologique, il est nécessaire de distinguer deux notions : - énergie transférée et - énergie absorbée Seule l énergie absorbée est liée aux effets biologiques. h ν P + E cin. h ν ' Le photon, ou le neutro transfère son énergie en un point P. Dans le cas présenté ci-contre, l électron atomique acquiert une énergie cinétique, le reste de l énergie se retrouvant sous forme d un photon diffusé. L énergie cinétique transférée lors de l interaction initiale sera absorbée par des interactions secondaires. 27

28 _ Effets biologiques des rayonnements L énergie transférée (étape initiale) est caractérisée par le KERMA (Kinetic Energie Released per unit MAsse). E C est le rapport cin. Δ m. L unité MKSA est le joule par kilogramme, encore appelée GRAY. X ou n γ h ν Δ. m + M h ν' Le KERMA ne dépend pas de l entourage de la masse Δm, contrairement à la dose absorbée. La dose absorbée dans un élément de masse Δm est l énergie réellement déposée dans la matière. La dose absorbée est égale à la dose transférée dans la majorité des cas rencontrés en médecine, particulièrement en radiothérapie. C est d ailleurs pour les radiothérapeutes que cette unité a été introduite puisque la dose absorbée correspond à l énergie effectivement délivrée à la tumeur. La dose absorbée s exprime aussi comme le rapport d une énergie (Joule) et d une masse (kg), l unité est la même que pour le KERMA, c est à dire le gray (Gy). Δ m M + Pour simplifier, on peut dire que le KERMA est identique à la dose absorbée s il y a égalité entre le nombre d électrons créés hors de la masse Δm et qui y entrent, et celui du nombre d électrons créés dans Δm et qui en sortent. Sous certaines conditions (énergie, épaisseur), l équilibre électronique est atteint. A l entrée d un volume cible, la dose absorbée est nulle, puis elle atteint rapidement la valeur du KERMA, en principe en quelques millimètres pour les énergies habituelles dans le domaine médical. dose KERMA dose absorbée distance 28