radioactivité, nucléaire,..sont des mots à connotation négative et pourtant…
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Radioactivité, Nucléaire,..sont des mots à connotation négative et
pourtant…
Les radiations ionisantes révèle d’énormes possibilités tant positives
que négatives !
Disciplines médicales impliquant des radiations ionisantes
• Radiothérapie• Médecine nucléaire
– Visée diagnostique– Visée thérapeutique– Autres applications spécifiques
• En neurochirurgie• En neurologie…..
• Radiodiagnostic (imagerie médicale RX)– Radiologie classique– Médecine légale
• Tout type de Chirurgie scopie pour le radioguidage
• Radiologie interventionelle– Coronarographie,…
• Biologie clinique Toutes ces disciplines sont soumises à la réglementation
en matière de radioprotection
Problématique de la radioprotection (I)
• S’il n’existait que des effets donnant lei à des manifestions biologiques claires et si tout était mis en place pour que les valeurs de dose donnant ces effets ne soient jamais dépassées , les activités impliquant les RI pourraient être exercées avec la garantie d’une sécurité totale…
• L’incertitude scientifique quant à l’apparition d’effets aléatoires (cancers…) oblige à quitter cet univers de sécurité totale.
Problématique de la radioprotection (II)
• Quand on est dans un univers structuré par l’incertitude – domaine des rayonnements – la gestion du risque relève du principe de précaution
• Le principe de précaution doit éviter 2 écueils:– Le déni du risque (rayonnement invisible…pas évident
de se souvenir qu’un risque existe…)– La surenchère catastrophique (tend à remettre en cause
une activité pour laquelle on ne peut pas exclure un risque)
Système de radioprotection basé sur 3 principes…
• Justification des pratiques• Optimisation des doses délivrées• Limitation des doses reçues
Eviter la routine vis-à-vis d’un risque invisible
Le but de la protection radiologique est d’empêcher les lésions dans les tissus vivants par les radiations ionisantes
il faut éviter l’absorption du rayonnement par les organismes vivants.
Le rayonnement est porteur d’énergie qui est transmise à la matière et qui peut provoquer des dégâts
Source radioactive- activité- énergie
dose reçue
Réglementation belge en matière de radioprotection
« Arrêté royal du 20 juillet 2001 portant règlement général de la protection de la population
et des travailleurs contre le danger des rayonnements ionisants »
« La somme des doses reçues du fait des expositions ne doit dépasserles limites de dose fixées pour les différentes catégories de personnes »
Limitation des doses
2 catégories de personnes- personnes professionnellement exposées- personnes du public
Zone contrôlée
Notre monde est radioactif…Nous sommes soumis quotidiennement à une irradiation
naturelle
1,1 mSv/an
2,4 mSv/an
Radioactivité artificielle
Irradiation médicale (radiodiagnostic)
Radiodiagnostic (utilisation des RX)
Contribution significative à la dose reçue par la population
Utilisation des rayons X
- Radiographie- Scopie et radiologie interventionnelle
Salle de coronarographie: arceau mobile permettant un double plan de rotation autour du
patient
Instrumentation: source de RX, une table et un arceau, un amplificateur de brillance, une caméra vidéo, des moniteurs de visualisation, système de traitement d’images
Qu’est-ce que la radioactivité ?
Découverte d’un phénomène majeur de la nature !
Je l’ai découverte il y a 112 ans et pourtant
elle a toujours existé !
La radioactivité est la propriété de certains noyaux de se transformer spontanément en
d’autres noyaux
C ’est l ’émission de rayonnement ou de particule caractéristique provoquée par la transformationd ’un noyau instable en un noyau stable.
Exemple : le 60Co émet 2 rayonnements Gamma (1.17 et 1.33 MeV)
Exemple : le 210Po émet une particule pour donner du Pb stable
Tout système instable tend vers une plus grande stabilité
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
Tout système instable tend vers la stabilité
La transformation du noyau entraine l’émission d’un rayonnement
Décroissance radioactive
1. Rayonnement
Quelques cm dans l’air (quelques MeV)
Parcours rectiligne
241Am 237Np +
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
2. Rayonnement (e-, e+)
Energie: quelques keV à x MeV
Parcours sinueux, quelques m dans l’air(qq mm dans les tissus vivants)
32P 32S + e-
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
Tout système instable tend vers la stabilité
La transformation du noyau entraine l’émission d’un rayonnement
Décroissance radioactive
1. Rayonnement 2. Rayonnement (e-, e+)
Energie: qq MeVParcours rectiligne, qq cm dans l’air, qq dizaines de µ dans les tissus vivants
Energie: qq keV à qq MeVParcours sineux, qq m dans l’airqq mm dans les tissus vivants
Rayonnement ionisant
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
4. neutrons
Suivant leur énergie, neutrons thermiques (0,025 eV), lents (< 1 keV), intermédiaires, Rapides (15 MeV)
Capturé par les noyaux
Noyau excité
Désexcitation par émission , ,
Les neutrons agissent par chocs
Parcours:- Neutron thermique (quelques dizaines de m)- Neutron rapide (quelques centaines de m)
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
3. Rayonnement électromagnétique ( et RX) se différenciant en fonction de leur origine
Rayonnement
Désexcitation du noyau après émission ou Propagation en ligne droite, Très pénétrant (peu d’interaction)quelques centaines de m (E = 1 Mev)
60Co 60Ni + + (E = 1,17 et 1,33 MeV)
Pour arrêter un de E = 1MeV (ex: 60Co): 200 à 300 m d’air……
Rayt : changement dans les niveaux d’E du noyau (quantifié)
Rayt de freinage: ralentissement des e- dans la matièreRayt X: changement dans les niveaux d’E des e- de l’atome
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
Rayonnement X réarrangement d’électrons (cas des isotopes)
125I 125Te + X +
Le Tube à Rayons X
• Tube à vide poussé• 2 Electrodes
– Anode Négative– Cathode Positive -
Cible• Haute Tension• Chauffage de la Cathode• Fenêtre• Gaine• Refroidissement
Pour produire des RX, nous avons besoin de…
- Une source d’électrons- Un haut voltage pour accélérer les électrons- Une cible pour absorber les électrons et produire les RX
Générateur de Rayons X
flux d’électrons
useful X-rays
anode Cathode (filament de W)
enceinte en verre
Mécanisme à l’origine des RX:
- collisions (électrons des atomes de l’anode)
- freinage (noyaux des atomes de l’anode)
Interaction e- - e-
Interaction e- - noyau
Phénomène physique de la production de RX:
Les collisions
• Ejection d’un électron (ionisation)
• Excitation d’un électron• Réaménagement
électronique– Déplacement des
électrons– Excédent d’E rayonné
sous forme de fluorescence
Absorption d’E Etat d’E supérieur Retour vers l’état fondamental
E ( Fluorescence) = différence d’E entre 2 couches électroniques (valeur caractéristique)
Spectre caractéristique
Phénomène physique de la production de RX: Le rayonnement de freinage
• Electron subissant la force d’attraction d’un noyau atomique– Ralentissement– Déviation– Perte d’E sous forme de
photons ( de freinage d’E entre 0 et E)
– Spectre continu
• Plus l’E de l’électron augmente et plus Z est grand, plus le phénomène sera important
Ce phénomène est celui qui est utilisé dans les générateurs à RX
Spectre des Rayons X
En résumé….
• Ces rayonnements sont des désintégrations nucléaires (E de la particule émise ou du rayonnement caractéristique de l’élément considéré)
• 3 caractéristiques d’un élément radioactif – nom de la particule ou rayonnement (, , , X,
n°)– E de l’émission (eV: keV, MeV)– intensité (cadence de désintégrations: nbre de
désintégrations par unité de temps)
La première radiographie…pour la première fois, on peut voir les os à
l’intérieur du corps
W. Roentgen
Et tout cela en travaillant avec des tubes cathodiques….
Découverte de la radioactivité naturelle par H.Becquerel
Émission par un sel d’Uranium de rayonnements capable d’impressionner une plaque photo
Découverte d’un phénomène majeur de la nature
Découverte par P.et M.Curie de deux éléments radioactifs: Po et
Ra En 1898 , Pierre et Marie Curie annoncent la découverte de deux éléments : le polonium (nom rapellant son pays : la Pologne) et le radium. Elle reçut le prix Nobel de physique en 1903, avec son mari et H.Becquerel ainsi que e prix Nobel de Chimie pour son travail sur le radium et ses composés en 1911.
Les premières lésions
Première expérience radiobiologique (involontaire)en 1900 par Becquerel : production d ’un érythème cutané 15 jours après exposition au radium.
Répétition (volontaire) de la même expérience par Pierre Curie en 1901.
Ces 2 expériences marquent le début de la radiobiologie
Un peu d’histoire…
• 1895 découverte des RX par Roentgen
• 1896 découverte de la radioactivité par Becquerel dans un minerai d’uranium
• 1898 Extraction du Po et Ra du minerai d’uranium (P. et M.Curie)
1920 conscientisation du danger d’une exposition et esquisse d’une réglementation
• 1932 découverte de la radioactivité artificielle par I. et F. Joliot-Curie
• 1942 mise en marche de la pile atomique par Fermi
• 1945 Bombe atomique sur Hiroshima et Nagasaki
Prudence!
Le Nucléaire fait peur Instauration d’un climat de confiance Protection efficace Limiter la probabilité d’un accident et si cela arrive.. rapidité et efficacité des secours
Lois de la radioactivité: période radioactive (T)
T: loi physique caractéristique de chaque élément radioactif (temps nécessaire pour que la moitié des atomes présents se soit désintégrée spontanément)
Au départ N0 noyaux:
1T ½ N0
2T ¼ N0
3T 1/8 N0
10 T un millième…
Exemple:Ra 226 1600 ansC 14 5730 ansTc 99m 6 heuresI 131 8 joursTh 224 1 seconde
Notions fondamentales
• Loi de décroissance: -dN/dt = λ Nt = A (λ:constante radioactive)
• Relation donnant le nombre d’atomes radioactifs restant après un certain temps t: Nt = No e-λt
• Période radioactive T: ½ No = No e-λt T = 0,693/ λ• Activité: A = λ Nt (activité absolue)
– détermination par comptage des particules émises par la substance radioactive
– Activité relative = rdt x activité absolue (le compteur ne mesure qu’une partie des rayonnements émis dans toutes les directions)
• Attention: nous ne pouvons dénombrer les noyaux radioactifs nous ne pouvons que détecter les rayonnements émis par ceux qui se désintègrent
Comment déterminer la période radioactive ?
• Rdt: rapport entre le signal net mesuré par l’instrument et l’activité d’une source de référence utilisation d’une source étalon
• Pour connaître T, on mesure l’activité relative de l’échantillon à reprises à des temps suffisamment espacés pour mettre en évidence une diminution de l’activité.– A(t) en fct du temps est une exponentielle.– En pratique, on utilise log A(t) en fct du temps droite
courbe de décroissance• Une droite jusqu’au BF 1 isotope• Évolution concave (évolution dans un graphique semi-log de
l’activité en fct du temps) mélange (A = A1 + A2 +An)– Extrapolation de la partie droite et soustraction de la droite extrapolée– Opération répétée
Échantillon radioactif rayonnement compteurActivité absolue(dés/sec)
Activité relative
Activité d’un radioélément
• Une source est caractérisée par l’activité qu’elle contient (nombre de noyaux se transformant spontanément par unité de temps), activité variant selon la décroissance radioactive.
Unité légale : Becquerel (1 Bq = 1 désintégration par seconde)
Ancienne unité: Curie (1 Ci = 37 milliards de Bq)
1 kBq = 1000 Bq1MBq = 1000 000 Bq
1 GBq = 1000 000 000 Bq
Chaîne de décroissance radioactive
Période effective et biologique
• En cas de pénétration dans l’organisme…– Décroissance physique suivant T– Élimination biologique (organe cible,
concentration…) TB
– Loi exponentielle dans les deux cas
Période Effective (TE)
1/TE = 1/TR + 1/TB
TE toujours plus petite que la plus petite des 2 autres !
Les effets biologiques d’une contamination interne dépendent de la nature et de l’activité du radioisotope présent dans l’organisme
Modes d’interaction des rayonnements avec la matière: connaissance nécessaire en
radioprotection• détermination de la dose absorbée par les tissus exposés• étude des détecteurs de rayonnements• conception des écrans de protection• 2 catégories de rayonnements
– directement ionisant (, , protons)– indirectement ionisant (, n°: production de particules secondaires
chargées)
• 3 modes d’interaction– Excitation: e- amenés à des niveaux d’E du niveau fondamental – Ionisation: électron éjecté du reste de l’atome
– Rayonnement de freinage: photon qu’émet une particule chargée en passant dans le champ coulombien du noyau d’un atome
Perte d’E (dE) par unité de longueur (dX): dE/dX = K. mZ2/E Parcours d’une particule R = E0
2/ 2KmZ
Perte d’E (dE) par unité de longueur (dX): dE/dX = K. EZ2/(mc2)2
Interaction des rayonnements ionisants avec la matière
• Les rayonnements perdent leur énergie en traversant la matière– Action directe sur les électrons par les et – Excitation et ionisation des atomes par les – Excitation des noyaux par les n°
• Rayonnement directement ionisant ( et )– Interaction avec les électrons périphériques
• Expulsion de l’électron ionisation nbre de paires d’ions
• Déplacement d’un électron sur une autre couche excitation de l’atome et émission de photons X
Ionisation de la matière
7300 x plus lourd que e-
Trajectoire rectiligneTrès ionisantes (milliers d’atomesdans cellule)
e-
Trajectoire sinueuseFaiblement ionisant (petit nbre d’atomes dans cellule)
Interaction des RI avec la matière: les photons
• Rayonnement électromagnétique se différenciant par leur origine – Rayonnement : changement dans les niveaux d’E du noyau
(quantifié)– Rayonnement de freinage: ralentissement des e- dans la matière– Rayonnement X: changement dans les niveaux d’E des e- de l’atome
Effet photoélectrique Effet Compton Production de paires
Toute l’E du photon cédée à l’e- sous forme d’E cinétique
Partie de l’E du photon cédée à l’e-
Photon de moindre E
Photons E < 50 keV
Photon d’E > 1.02 MeVNoyau avec Z élevé
2
+
-
-
1
E = 0.511 MeV
E entre 50 keV et 20 MeV E > 20 MeV
Interaction des avec la matière: Effet photoélectrique
• Totalité de l’E transférée à un e- de l’atome
– Seulement si l’E > EK
– Eliaison avec Z et proximité du noyau
• Coefficient d’absorption photo-électrique
– µphoto-électrique ∞ Z3/E3
• En pratique…– Pb bon matériau pour les écrans de protection contre les RX (permet
l’arrêt des RX de faible E et un bon % des autres)– Bon contraste de l’image radio– Effet principal dans la matière organique (Effet majeur pour V >
70kV) car arrêt du RX de faible E et production d’un électron pouvant être biologiquement néfaste
Ee = h - EK
Effet important pour les photons de faible E et dans les matériaux lourds
Interaction des avec la matière: Effet compton
• Partie de l’E du transmise à l’e-
• Distribution angulaire en énergie– Pour élevé, E diffusé fort réduite
• Conséquence: dégradation importante du spectre d’E des – Détecteur sensible sur un domaine étendu d’E
de avec un certaine réponse angulaire– Le diffusé est multidirectionnel
• Peu d’influence de Z masse de matière présente!– Efficacité de l’écran de protection ne dépendant du matériau choisi
• En pratique…– Diffusé encore assez énergétique pour avoir des effets sur image
radio (voile) et constituer un danger pour le personnel qui doit se protéger
– provient du patient. Diffusé avec l’E des RX et du volume irradié
Ec = hO - h hO
h
Ec
Interaction des avec la matière: matérialisation
• E > 1MeV matérialisé en 2 e- avec Ecinétique
• Distribution en énergie– Pour de haute E, Ecinétique également répartie entre
les e-
– Pour de faible E, E des positons > E des négatons
• Distribution angulaire– Pour de haute E, dirigé vers l’avant
• Annihilation– Lorsque Ecinétique (+) <<, + est attiré par un -
apparition de 2 photons de E = 0.511 MeV– Si e- au repos, photon émis dans direction opposée
• En pratique…Ne concerne pas le radiodiagnostic+
-
-
1
E = 0.511 MeV
Erésiduelle = h - 2mOc2
Atténuation globale d’un faisceau de photons
• µ dépend de l’E des incidents et de la nature du matériau absorbant (masse volumique, numéro atomique)
I = IO e-µx
Domaine prépondérant d’interaction en fonction de l’E des rayonnements et du Z du matériau absorbant
Domaine prépondérant d’interaction en fonction de l’E des rayonnements et du Z du
matériau absorbant