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a b-g
Xp
n
b+
Artificiels
Naturels
Ac
cé
léra
teu
rs
US
RF
UV
IR
onde radio
µ-onde
PhotonCorpuscules
1
10-3
10-6
103
106
eV
A1. Nature des rayonnements
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Vallée de stabilité
Nombre de protons
Nombre de neutrons
C
O
Ne
PbZ trop élevé : émission a
Excès de protons :
émission b+, CE
Excès de neutrons :
émission b-
CE = capture électronique
Origine des rayonnements alpha, beta, gamma
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Désintégration
Nombre de protons
Nombre de neutrons
C
O
Ne
Pb
Raa
a : 2 protons et 2 neutrons
b+
b-
b- : 1 électron
b+ : 1 positon
F
Mo
Rna
Poa
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Les rayonnements alpha et beta
Les rayonnements a et b 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 g.
Le noyau fils Y peut être lui-même instable et se désintégrer à son tour
(filiation radioactive).
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Le tube RX c’est :1. une cathode, responsable de l'émission des électrons,
2. un champ électrique, accélérant les électrons,
3. une anode, source de production des photons RX.
4. le tube est une enveloppe protectrice assurant le vide et une isolation électrique,
5. le tube est doublé d’une gaine limitant l’irradiation à une direction,
6. un filtre coupe les RX de basse énergie dans le champ de vue.
7. un collimateur mobile (diaphragme) pour limiter le champ de vue.(5, 6 et 7 non représentés sur la photo)
e-i
HT
Production des rayonnements X
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Principalement, le rayonnement interagit en cèdant son énergie à
la matière qu’il rencontre.
Nous allons donc insister sur les principales interactions :
Rayonnement matériel, cas du b
• Avec le noyau
• Avec le cortège électronique
Rayonnement lumineux
• Effet photoélectrique
• Effet Compton
Les explications seront très schématiques.
A2. Interaction des rayonnements
ionisants avec la matière
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Ionisationalpha vs matière
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Interaction de l’alpha avec la matière
La particule a 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 a-noyau est très faible.
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Ionisationbeta vs matière
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Fluorescence X
Désexcitation
beta vs matière
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Interaction du rayonnement beta avec
la matière
3 cas de figures possibles :
Perte de l’énergie cinétique de l’électron incident sans
interaction notable (chaleur),
Interaction avec le noyau et rayonnement X de freinage.
Interaction avec les électrons des atomes (Compton et
ionisation), raies caractéristiques.
0 50 100 150Energie (keV)
Inte
nsité
re
lative
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Cas particulier du b+ : l’annihilation
b+
Unité de Radiophysique et RadioprotectionCERF 2015 - [email protected] le + probable de l’interaction photon-atome : rien !
Photon vs matière
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Diffusion
Compton
Le photon est dévié, cédant de l’énergie à l’électron.
Effet Compton
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Exemple de la diffusion Compton
(d’après projet MARTIR)
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Ionisation
Toute l’énergie du photon devient énergie cinétique de l’électron.
Effet photoélectrique
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La probabilité de l’interaction varie avec
l’énergie du photon.
Energie du photon (keV)
Probabilité (%)
1 10 100 1 000 10 000 100 000
Imagerie médicale Accélérateurs
Médicaux
Production
de paireCompton
Photoélectrique
Détecteurs
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Exemple d’utilisation de la diffusion
Compton et de l’effet photoélectrique
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Substrat de Verre
Matrice enSilicium Amorphe
Lignes de ContactContacts Principaux
et Electronique
de Lecture
Scintillateur(Iodure de Césium)
Capteur plan
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En résumé, le photon et la matière
Interaction avec le noyau de l’atome traversé : Pas d’effet notable en radiologie,
Réaction (X,n) en radiothérapie 25 MeV.
Interaction avec l’électron : En fonction de l’énergie cédée par le photon.
L’effet de production de paire n’arrive pas en imagerie. Il correspond à la conversion de l’énergie en matière (E=mc²), ici la création d’un électron et d’un positon. Il faut que E>1022 keV.
L’effet Compton est prépondérant dans le milieu médical.
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Pénétration dans la matière
Transfert d’énergie linéique
a :
b :
photon :
proton :
Libre parcours moyen
10-4 10-2 1 m
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En résumé :
Quelque soit le rayonnement, l’interaction
dépend de l’énergie cédée à l’électron du
cortège
Si l’énergie est insuffisante, désexcitation par
émission d’un photon X / UV / visible.
Si l’énergie est suffisante, ionisation de
l’atome.
D’où la définition du rayonnement
ionisant. Pour l’eau >13,6 eV.
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A3. Comparaison des activités et
expositions naturelles et artificiellesIrradiation naturelle (2,4 mSv/an) Irradiation artificielle (1,3 mSv/an)
11 %
37 %
13 %
7 %
31 %
0,5 %
0,5 %
co
sm
iqu
e
rad
on
tellu
riqu
e
alim
en
tation
reje
ts
atm
osp
hé
riques
ima
ge
rie
mé
dic
ale
tub
e
ca
tho
diq
ue
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A4. Exposition : grandeurs et unités
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A4. Grandeurs dosimétriques
tissu (ou organe) T organisme
énergie transmise
dose absorbée DT
J. kg-1 gray ( Gy )
effet biologique(organe)
dose équivalente HT
HT = DT wR
sievert ( Sv )
dose efficace E
E = (DT wR wT)
J. kg-1
air fluence particules / m2
effet biologique
(individu)
source activité At becquerel ( Bq ) ou mA s-1
DT = dE /dm E = (HT wT)
wR : facteur de pondération radiologique,
tient compte de la nature du
rayonnement
wT : facteur de pondération tissulaire,
tient compte de la radiosensibilité
propre de chaque tissu ou organe
Grandeurs mesurables. Grandeurs réglementaires.Grandeurs rationnelles.
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A dose absorbée égale, la probabilité d’apparition d’effets aléatoires
varie :
selon la distribution des ionisations dans le tissu,
donc de la nature et de l’énergie du rayonnement, par exemple son
transfert linéique d’énergie (TLE).
Pour intégrer ce paramètre, on va pondérer la dose absorbée par un
facteur lié à la nature du rayonnement aussi bien pour un champ de
rayonnement externe que pour un radionucléide incorporé.
C’est le facteur de pondération pour les rayonnements, wR.
Facteur de pondération pour les rayonnements
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Type et domaine d’énergie wR
Photons, toutes énergies 1
Électrons, toutes énergies 1
Neutrons, énergie < 10 keV
10 keV à 100 keV
> 100 keV à 2 MeV
2 MeV à 20 MeV
> 20 MeV
5
10
20
10
5
Protons, énergie > 2 MeV 5
Alpha, toutes énergies 20
CIPR 60
Facteur de pondération selon le rayonnement
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0,01 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.)
= 1
Facteur de pondération tissulaire
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A nombre d’ionisations égal, avec le même rayonnement, les tissus n’ont pas la même radiosensibilité.
On a donc besoin d’une nouvelle grandeur, dérivée de la dose équivalente, pour quantifier les effets stochastiques à l’échelle de l’individu, ensemble de tissus différents.
Le facteur par lequel la dose équivalente est pondérée est appelé :facteur de pondération pour les tissus, wT.
Ce facteur représente la contribution d’un tissu au détriment total encouru par l’individu.
Cette contribution est la probabilité relative des effets pour chaque tissu, si tout le corps est exposé de manière homogène.
Facteur de pondération tissulaire
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Dose fictive, qui serait administrée de manière homogène au corps entier.
Elle mesure la probabilité d’effets stochastiques, (les effets déterministes sont mesurés
en Gy)
Une dose efficace correspond toujours à une estimation corps-entier : des doses efficaces égales indique la même probabilité d’effets stochastiques.
Exemple : le facteur de pondération tissulaire des poumons est estimé à 0,12. Une exposition uniquement des poumons de 100 mSv équivaut à la même probabilité d’apparition de détriments qu’une exposition du corps entier de :
12 mSv (= 100 x 0,12)
Le seul pouvoir prédictif de la dose efficace est pour une population.
Dose efficace
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Activité :
Fluence au côlon :
Dose absorbée à l’abdomen :
Dose équivalente à l’abdomen
Contribution de l’abdomen à la dose efficace:
Dose efficace :
9
6 / surface
5 (au +)
5 * 1 = 5
5 * 0,12 = 0,6
5 * 0,12 + 1 * 0,05 = 0, 65unités arbitraires
Il y a dose et dose. Exemple.
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Les unités en résumé :
Le terme de dose peut exprimer 3 concepts :
l’énergie déposée dans le milieu (dose absorbée),
la façon dont le tissu est irradié (dose équivalente),
le risque à long terme pour l’individu (dose efficace).
On ne sait mesurer que la dose absorbée.
Les doses ‘en sievert’ (= équivalente ou efficace) sont estimées en choisissant des facteurs de pondération grossiers et en faisant des calculs.
Les limitations réglementaires de l’exposition sont données en terme de dose efficace.
Les expositions du patient à l’issue d’un examen est donnée en dose absorbée.
Unité de Radiophysique et RadioprotectionCERF 2015 - [email protected] N Hidajat et al, Berlin, BJR vol 72
Facteur de conversion PDL -> dose efficace
Dose efficace/PDL mSv/(mGy.cm)
<1an 1 an 5 ans 10 ans adulte
Tête 0.011 0.0067 0.004 0.0032 0.0021
Tête+Cou 0.013 0.0085 0.0057 0.0042 0.0031
Cou 0.041 0.029 0.026 0.012 0.012
Thorax 0.094 0.062 0.043 0.029 0.014
Abdo &
Pelvis
0.118 0.072 0.048 0.032 0.015
Tronc 0.106 0.067 0.046 0.032 0.015
Jambes 0.008
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CONCLUSION DE CETTE PARTIE
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.
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Le rendement d'un écran de scopie est ~ 5 %.
Transformation d'énergie électrique en RX dans le tube : rendement < 1%.
L'émission de RX est distribuée dans toutes les directions de l'espace (360°) et seule une très petite partie d'angle solide (~15°) est utilisée à la sortie du tube : 2 % du RX sort du tube.
95 à 99% du RX est atténuée par le sujet radiographié.
Rendement global 1% x 2 % x 3 % x 5% = 3 / 10 000 000
B1. Facteurs impactant la dose : chaîne d’acquisition
5%2 %1 % 3 %
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B1. Facteurs impactant … : paramètres d’acquisition
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Optimiser les mAs et les kV
• Diminuer la dose peut se faire en diminuant le nombre de photons (mAs)
ou en diminuant leur énergie (kV).
• Baisser le nombre de mAs permet de réduire d’autant la dose au patient
(mAs /2 => Dose /2) alors que baisser les kV ne baisse la dose que de qq %.
• Par contre baisser les mAs baisse le noircissement, compensable en partie
en augmentant la luminosité, donc les kV.
Rayonnement de freinage
Emission caractéristique (ici
anode en tungstène)
0 50 75 100
Energie (keV)
No
mb
re d
e p
ho
ton
s m
As
25
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Variation de la H.T.
(cible tungstène et mAs constants).
Variation des mAs
(cible tungstène et H.T. = 100 kV)
Impact des kV et des mAsIn
tensité r
ela
tive
Inte
nsité r
ela
tive
Energie (keV)
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60 kV – 24 mAs 80 kV – 9 mAs 90 kV – 7 mAs
De : 2.5 mGy De : 1.7 mGy De : 1.6 mGy
Optimiser les mAs et les kV : exemple sur ERLM
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90 KV – 8 mAs
De : 0.37 mGy
80 KV – 14 mAs
De : 0.44 mGy
60 KV – 71 mAs
De : 0.80 mGy
Optimiser les mAs et les kV : exemple sur capteur plan
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B2. Amplificateur de brillance
RX
DC
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B2. Ampli de brillance :
zoom
RX
DC
Zoom x2 Dose x 8
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L’atténuation est plus importante pour les photons de basse énergie.
La filtration permet donc de couper les RX mous (= de basse énergie) au prix d’une
petite perte de RX durs (= de haute énergie).
Augmenter les kV, donc augmenter la filtration
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Patient loin du détecteur ou corpulent
B3. Grille anti-diffusante
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Position patient optimale
B3. Grille anti-diffusante
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B4. Exposeur automatique
2 2
3
3
3
1. Centre de l’image
2. Organes symétriques
3. Organes verticaux1
Sur l’ampli de brillance,
l’exposeur occupe le centre de
l’image (/2).
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B4. Exposeur automatique
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B5. Scopie pulsée
Temps (ms)
Inte
nsité
(u
.a.)
1000
Cadence d’images + régime pulsé 33 %
125 250 375 500 625 750 875
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Mesures possibles
B6. Evaluation des doses en radiologie : mesure
Valeur Mesurée ou Calculée ?
Paramètres d’acquisition
kV, mAs, filtration
M/C M/C M/C C C
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Produit Dose Surface
PDS
Le Produit Dose Surface, ou PDS, est constant
quelle que soit la distance où on le mesure.
La valeur mesurée par la chambre d’ionisation à
la sortie du tube RX est donc identique à celle
qui serait mesurée à l’entrée du patient.
A B C D E
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PDS : mesure par
chambre d’ionisation
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La chambre d’ionisation
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B6. Evaluation des doses en radiologie : approximation
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6. Evaluation des doses en radiologie : approximation
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Le numérique permet souvent de diminuer la dose
à condition d’optimiser les paramètres et de faire le CQ
dose
noircissement
sous
expositionOK sur
exposition
analogique
numérique
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Réglementation :
Institué par les directives EURATOM 84/466, 97/43 et 2013/59
Surveillance stricte des appareils et contrôle qualité des appareils
contrôle de qualité des examens radiologiques, incluant tous les aspects :
Qualité de la chaîne radiologique
Reconstruction
Interprétation
Radioprotection
EUR1262 : idem mais dédié aux examens pédiatriques et moins complet
B7. Le Contrôle Qualité et Radioprotection du patient en
radiologie
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Programme assurance qualité et radioprotection selon l’AIEA :
CQ interne :
Enregistrement écrits des procédures et ses résultats
Vérification de l’étalonnage et contrôle dosimétrique du matériel
CQ externe :
Obligatoirement réalisé par un organisme externe agréé.
Vérification du CQ interne (enregistrements)
Rapports des audits indépendants lors des contrôles de la conformité
des appareils et des locaux
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7. Qualité Image. Contrôle Qualité.
Obligation règlementaire (ANSM).
Permet de vérifier l’état de l’ensemble du
système d’imagerie.
Les variations sont imperceptibles au jour le
jour mais importantes à moyen terme.
1 2 3
10
6
4
3
Sensibilité (%)
ans
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La connaissance et le contrôle de l’ensemble de la chaîne
d’acquisition est un gain autant pour le diagnostic que pour la
radioprotection.
C’est un programme, partagé par l’ensemble du service, il
inclue le report de la dose, les NRD et le contrôle qualité.
La radioprotection doit donc être intégrée :
au fonctionnement du service,
à la pratique de chacun.
CONCLUSION DE CETTE PARTIE