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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

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Presentation Transcript
les radiations ionisantes r v le d normes possibilit s tant positives que n gatives
Les radiations ionisantes révèle d’énormes possibilités tant positives que négatives !
disciplines m dicales impliquant des radiations ionisantes
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

probl matique de la radioprotection i
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.
probl matique de la radioprotection ii
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)
syst me de radioprotection bas sur 3 principes
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

slide7
Le but de la protection radiologique est d’empêcher les lésions dans les tissus vivants par les radiations ionisantes

dose reçue

  • Source radioactive
  • activité
  • énergie

Le rayonnement est porteur d’énergie qui est transmise à la matière

et qui peut provoquer des dégâts

il faut éviter l’absorption du rayonnement par les organismes vivants.

slide8

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 »

Limitation des doses

« La somme des doses reçues du fait des expositions ne doit dépasser

les limites de dose fixées pour les différentes catégories de personnes »

2 catégories de personnes

- personnes professionnellement exposées

- personnes du public

Zone contrôlée

notre monde est radioactif nous sommes soumis quotidiennement une irradiation naturelle
Notre monde est radioactif…Nous sommes soumis quotidiennement à une irradiation naturelle

1,1 mSv/an

2,4 mSv/an

radiodiagnostic utilisation des rx
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
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 radioactivit
Qu’est-ce que la radioactivité ?

Je l’ai découverte il y a 112 ans

et pourtant

elle a toujours existé !

Découverte d’un phénomène majeur de la nature !

slide15

C ’est l ’émission de rayonnement ou de particule

caractéristique provoquée par la transformation

d ’un noyau instable en un noyau stable.

La radioactivité est la propriété de certains noyaux de se transformer spontanément en d’autres noyaux

Tout système instable tend vers une plus grande stabilité

Exemple : le 60Co émet 2 rayonnements Gamma (1.17 et 1.33 MeV)

Exemple : le 210Po émet une particule  pour donner du Pb stable

slide16

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
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 n18
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+)

Rayonnement ionisant

Energie: qq MeV

Parcours rectiligne, qq cm dans l’air,

qq dizaines de µ dans les tissus vivants

Energie: qq keV à qq MeV

Parcours sineux, qq m dans l’air

qq mm dans les tissus vivants

les rayonnements ionisants x n19
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°

4. neutrons

Suivant leur énergie, neutrons thermiques

(0,025 eV), lents (< 1 keV), intermédiaires,

Rapides (15 MeV)

Les neutrons agissent par chocs

Capturé par les noyaux

Noyau excité

Désexcitation par émission , , 

  • Parcours:
  • Neutron thermique (quelques dizaines de m)
  • Neutron rapide (quelques centaines de m)
les rayonnements ionisants x n20
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°

3. Rayonnement électromagnétique ( et RX) se différenciant en fonction de leur origine

  • Rayt : changement dans les niveaux d’E du noyau (quantifié)
    • Rayt de freinage: ralentissement des e- dans la matière
    • Rayt X: changement dans les niveaux d’E des e- de l’atome

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……

les rayonnements ionisants x n21
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°

Rayonnement X  réarrangement d’électrons

(cas des isotopes)

125I  125Te + X + 

le tube rayons 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
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
g n rateur de rayons x

enceinte en verre

flux d’électrons

anode

Cathode

(filament de W)

useful X-rays

Générateur de Rayons X
  • 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

ph nom ne 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

Phénomène physique de la production de RX: Les collisions

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

ph nom ne 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

Phénomène physique de la production de RX: Le rayonnement de freinage

Ce phénomène est celui qui est utilisé dans les générateurs à RX

en r sum
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 premi re radiographie pour la premi re fois on peut voir les os l int rieur du corps
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….

d couverte de la radioactivit naturelle par h becquerel
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

d couverte par p et m curie de deux l ments radioactifs po et ra
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 premi res l sions
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
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 radioactivit p riode radioactive t
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 ans

C 14 5730 ans

Tc 99m 6 heures

I 131 8 jours

Th 224 1 seconde

notions fondamentales
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 d terminer la p riode radioactive
Comment déterminer la période radioactive ?

Échantillon radioactif  rayonnement  compteur

  • 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

Activité absolue

(dés/sec)

Activité relative

slide37

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)

1 kBq = 1000 Bq

1MBq = 1000 000 Bq

1 GBq = 1000 000 000 Bq

Ancienne unité: Curie (1 Ci = 37 milliards de Bq)

p riode effective et biologique
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 mati re connaissance n cessaire en radioprotection
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 = E02/ 2KmZ

 Perte d’E (dE) par unité de longueur (dX): dE/dX = K. EZ2/(mc2)2

interaction des rayonnements ionisants avec la mati re
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 rectiligne

Très ionisantes (milliers d’atomes

dans cellule)

e-

Trajectoire sinueuse

Faiblement ionisant (petit nbre

d’atomes dans cellule)

interaction des ri avec la mati re 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

-

1

+

E = 0.511 MeV

-

Interaction des RI avec la matière: les photons

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

Photon d’E > 1.02 MeV

Noyau avec Z élevé

2

Photons E < 50 keV

E entre 50 keV et 20 MeV

E > 20 MeV

interaction des avec la mati re effet photo lectrique
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

Interaction des  avec la matière: Effet photoélectrique

Ee = h - EK

Effet important pour les photons

de faible E et dans les matériaux lourds

interaction des avec la mati re 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

Interaction des  avec la matière: Effet compton

Ec

Ec = hO - h

hO

h

interaction des avec la mati re mat rialisation

-

1

+

E = 0.511 MeV

-

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

Erésiduelle = h - 2mOc2

att nuation globale d un faisceau de photons
Atténuation globale d’un faisceau de photons

I = IO e-µx

  • µ dépend de l’E des  incidents et de la nature du matériau absorbant (masse volumique, numéro atomique)

Domaine prépondérant d’interaction en fonction de l’E des rayonnements et du Z du matériau absorbant

slide47
Domaine prépondérant d’interaction en fonction de l’E des rayonnements et du Z du matériau absorbant