n A1. Nature des rayonnements α β γ ev 10 6 Naturels Artificiels p β + X UV 10 3 Accélérateurs IR µ-onde RF 1 10-3 10-6 US onde radio Corpuscules Photon
Origine des rayonnements alpha, beta, gamma Vallée de stabilité Nombre de neutrons U Z trop élevé : émission α Excès de neutrons : émission β C O Ne Excès de protons : émission β +, CE Nombre de protons CE = capture électronique
Nombre de neutrons Désintégration α α α Po Pb Rn Ra Mo β α : 2 protons et 2 neutrons β : 1 électron β + : 1 positon Ne C O β + F Nombre de protons
Les rayonnements alpha et beta Les rayonnements α et β sont issus des désintégrations nucléaires de noyaux instables. Ces désintégrations sont presque toujours suivies, après un temps très variable, d une désexcitation. Le noyau fils Y se désexcite en émettant un photon, appelé photon γ. Le noyau fils Y peut être lui-même instable et se désintégrer à son tour (filiation radioactive).
A2. Interaction des rayonnements ionisants avec la matière Principalement, le rayonnement interagit en cèdant son énergie à la matière qu il rencontre. Nous allons donc insister sur les principales interactions : Rayonnement matériel, cas du β Avec le noyau Avec le cortège électronique Rayonnement lumineux Effet photoélectrique Effet Compton Les explications seront très schématiques.
alpha vs matière Ionisation
Interaction du rayonnement alpha avec la matière La particule α est massive et fortement chargée (2+), elle va très fortement interagir avec les couches électroniques de la matière qu elle traverse. En cédant peu à peu son énergie cinétique, elle est ralentie. A chaque fois, l énergie cédée va permettre une ionisation. Le noyau étant entouré par les couches électroniques, la probabilité d interaction α-noyau est très faible.
beta vs matière Ionisation
Excitation
Désexcitation Fluorescence X
β X de freinage
Interaction du rayonnement beta avec la matière 3 cas de figures possibles : Perte de l énergie cinétique de l électron incident sans interaction notable (chaleur), Interaction avec le noyau et rayonnement X de freinage. Interaction avec les électrons des atomes (Compton et ionisation), raies caractéristiques. Intensité relative 0 50 100 150 Energie (kev)
Cas particulier du β + : l annihilation β +
Photon vs matière Cas le + probable photon-atome : rien!
Effet Compton Diffusion Compton Le photon est dévié, cédant de l énergie à l électron.
Exemple de la diffusion Compton (d après projet MARTIR)
Effet photoélectrique Ionisation Toute l énergie du photon devient énergie cinétique de l électron.
La probabilité de l interaction varie avec l énergie du photon. Probabilité (%) Détecteurs Imagerie médicale Accélérateurs Médicaux Photoélectrique Diffusion Compton Production de paire 1 10 100 1 000 10 000 100 000 Energie du photon (kev)
Exemple d utilisation de la diffusion Compton et de l effet photoélectrique
Le capteur plan Contacts Principaux et Electronique de Lecture Lignes de Contact sur 3 Cotés Matrice en Silicium Amorphe Substrat de Verre Scintillateur (Iodure de Césium)
En résumé, le photon et la matière Interaction avec le noyau de l atome traversé : Pas d effet notable en radiologie, Réaction (X,n) en radiothérapie 25 MeV. Interaction avec l électron : En fonction de l énergie cédée par le photon. L effet de production de paire est un cas particulier négligeable dans le domaine médical. Il correspond à la conversion de l énergie en matière (E=mc²), ici la création d un électron et d un positon. Il faut que E>1022 kev. L effet Compton est le plus prépondérant dans le milieu médical.
Pénétration dans la matière Transfert d énergie linéique Libre parcours moyen α : β : photon : proton :
En résumé : Quelque soit le rayonnement, l interaction dépend de l énergie cédée à l électron du cortège Si l énergie est insuffisante, désexcitation par émission d un photon X / UV / visible. Si l énergie est suffisante, ionisation de l atome. D où la définition du rayonnement ionisant. Pour l eau >13,6 ev.
A3. Comparaison des activités et expositions naturelles et artificielles Irradiation naturelle (2,4 msv/an) Irradiation artificielle (1,3 msv/an) cosmique 11 % 0,5 % rejets atmosphériques radon 37 % 0,5 % tube cathodique tellurique alimentation 13 % 7 % 31 % imagerie médicale
A4. Exposition : grandeurs et unités
énergie transmise Grandeurs dosimétriques source activité A t becquerel ( Bq ) ou ma s -1 air fluence Φ particules / m 2 tissu (ou organe) T effet biologique (organe) organisme effet biologique (individu) dose absorbée D T dose équivalente H T dose efficace E D T = de /dm H T = D T w R E = Σ (H T w T ) E = Σ (D T w R w T ) w R : facteur de pondération radiologique, tient compte de la nature du rayonnement w T : facteur de pondération tissulaire, tient compte de la radiosensibilité propre de chaque tissu ou organe J. kg -1 gray ( Gy ) J. kg -1 sievert ( Sv ) Grandeurs mesurables. Grandeurs rationnelles. Grandeurs réglementaires.
Facteur de pondération pour les rayonnements A dose absorbée égale, la probabilité d apparition d effets aléatoires varie : selon la distribution des ionisations dans le tissu, Donc de la nature et de l énergie du rayonnement, par exemple son transfert linéique d énergie (TLE). Pour intégrer ce paramètre, on va pondérer la dose absorbée par un facteur lié à la nature du rayonnement aussi bien pour un champ de rayonnement externe que pour un radionucléide incorporé. C est le facteur de pondération pour les rayonnements, w R.
Facteur de pondération selon le rayonnement CIPR 60 Type et domaine d énergie Photons, toutes énergies 1 Électrons, toutes énergies 1 Neutrons, énergie < 10 kev 5 10 kev à 100 kev 10 > 100 kev à 2 MeV 20 2 MeV à 20 MeV 10 > 20 MeV 5 Protons, énergie > 2 MeV 5 Alpha, toutes énergies 20 w R
Facteur de pondération tissulaire Σ = 1 0,01 Peau 0,01 Cerveau 0,01 Glandes salivaires 0,01 Surfaces osseuses 0,04 Thyroïde 0,12 Poumon 0,12 Seins 0,04 Oesophage 0,12 Estomac 0,04 Foie 0,12 Côlon 0,04 Vessie 0,08 Gonades 0,12 Moelle osseuse rouge 0,12 moy tissu restant (muscle, cœur, rein, surrénales, vés. biliaire, pancréas, grêle, thymus, rate, utérus/prostate muq buccale, gg lymph.)
Facteur de pondération tissulaire A nombre d ionisations égal, avec le même rayonnement, les tissus n ont pas la même radiosensibilité. On a donc besoin d une nouvelle grandeur, dérivée de la dose équivalente, pour quantifier les effets stochastiques à l échelle de l individu, ensemble de tissus différents. Le facteur par lequel la dose équivalente est pondérée est appelé : facteur de pondération pour les tissus, w T. Ce facteur représente la contribution d un tissu au détriment total encouru par l individu. Cette contribution est la probabilité relative des effets pour chaque tissu, si tout le corps est exposé de manière homogène.
Dose efficace Dose fictive, qui serait administrée de manière homogène au corps entier. Elle mesure la probabilité d effets stochastiques, (les effets déterministes sont mesurés en Gy) Une dose efficace correspond toujours à une estimation corps-entier : des doses efficaces égales indique la même probabilité d effets stochastiques. Exemple : le facteur de pondération tissulaire des poumons est estimé à 0,12. Une exposition uniquement des poumons de 100 msv équivaut à la même probabilité d apparition de détriments qu une exposition du corps entier de : 12 msv (= 100 x 0,12)
Il y a dose et dose. Exemple. Activité : Fluence au côlon : Dose absorbée à l abdomen : Dose équivalente à l abdomen Contribution de l abdomen à la dose efficace: Dose efficace : 9 6 / surface 5 (au +) 5 * 1 = 5 5 * 0,12 = 0,6 5 * 0,12 + 1 * 0,05 = 0, 65 unités arbitraires
Les unités en résumé : Le terme de dose peut exprimer 3 concepts : l énergie déposée dans le milieu (dose absorbée), la façon dont le tissu est irradié (dose équivalente), le risque à long terme pour l individu (dose efficace). On ne sait mesurer que la dose absorbée. Les doses en sievert (= équivalente ou efficace) sont estimées en choisissant des facteurs de pondération grossiers et en faisant des calculs. Les limitations réglementaires de l exposition sont données en terme de dose efficace. Les expositions du patient à l issue d un examen est donnée en dose absorbée.
Facteur de conversion PDL -> dose efficace Dose efficace/pdl msv/(mgy.cm) <1an 1 an 5 ans 10 ans adulte Tête 0.011 0.0067 0.004 0.0032 0.0021 Tête+Cou 0.013 0.0085 0.0057 0.0042 0.0031 Cou 0.041 0.029 0.026 0.012 0.012 Thorax 0.094 0.062 0.043 0.029 0.014 Abdo & Pelvis 0.118 0.072 0.048 0.032 0.015 Tronc 0.106 0.067 0.046 0.032 0.015 Jambes 0.008 Unité de Radiophysique N Hidajat et Radioprotection et al, Berlin, BJR vol 72
Du mgy vers le msv Valeurs des NRD en TDM adulte Type d examen CTDIvol (mgy) PDL (mgy.cm) Dose efficace E (msv) Tête 58 18 1050 3 cm 25 Thorax 20 500 7 cm Abdo 25 650 10 25 cm Pelvis 25 cm 450 7 18
CONCLUSION La radioprotection utilise de nombreux termes très précis. Pour les mesures et les calculs, elle repose beaucoup sur la physique des rayonnements. Les modèles de rayonnement, les unités utilisées ne sont donc que des outils, manipulés avec plus ou moins de bonheur. Ils ne doivent pas escamoter le bon sens et la connaissance du terrain, mais venir en complément. balduyck.s@chu-toulouse.fr