Cours PPH Radioactivité et Rayonnements Ionisants 2024 PDF

Formation des Préparateurs en Pharmacie Hospitalière (PPH) Domaine 2 Compétence 4 - UE Radiopharmacie et radioprotection Radioactivité Différents types de désintégrations radioactives et rayonnements émis...

Formation des Préparateurs en Pharmacie Hospitalière (PPH) Domaine 2 Compétence 4 - UE Radiopharmacie et radioprotection Radioactivité Différents types de désintégrations radioactives et rayonnements émis Ghada EL-DEEB Lundi 23 septembre 2024 Radiopharmacien 14h30-17h Lariboisière, AP-HP  Partie I La radioactivité 2  Introduction RADIOACTIVITE pas inventée par l'homme Découverte par Henri Becquerel en 1896 Pierre et Marie Curie : Découverte du Polonium et du Radium 3  L’atome La matière est un assemblage de molécules qui sont elles mêmes un assemblage d’atomes Electrons chargés Protons N négativement chargés positivement U C L Noyau formé E de nucléons Neutrons O non N chargés ou neutres S Autant de protons que d’électrons : l’atome est neutre Différentes forces maintiennent la cohésion du noyau 4  Nomenclature Nombre de masse = nucléons = A Protons + neutrons Symbole chimique X Z Nombre de Protons = Numéro atomique ( = électrons) Z détermine le symbole X de l’élément Le nombre de neutrons est N= A-Z 5  Exemple 131 I 53  I symbole chimique de l'élément iode  A =131 131 nucléons  Z = 53 53 protons (et 53 électrons) → symbole I  N= 131- 53 = 78 78 neutrons Seul le nombre de masse est mentionné: «iode 131» (131I) 6 Tableau des éléments (Classification périodique de Mendeleiev) 7  Nomenclature. Isotopes : même numéro atomique Z, nombre de masse Adifférent Nombre de masse Ex : 123 53I, 124 53I, 131 53I (iode) A Symbole chimique X (1 majuscule+/-minuscule). Isobares : même nombre de masse A Z numéro atomique Z différent Numéro atomique Ex : pour A=122 122 (étain), 122 51Sb (antimoine), 50Sn 122 Te (tellurium) 52 8  Isotopes d’un élément Atomes d’un élément avec  même numéro atomique Z (même nombre de protons)  nombres de masse A 1 2 3 différents (nombre de neutrons différent) 1 H 1 H 1 H 9 Exemple d’isotopes  12753I iode 127  12553I iode 125  12353I iode 123  13153I iode 131 sont des isotopes de l’iode 10  La radioactivité  Phénomène nucléaire = dans le noyau  Noyaux instables = noyaux radioactifs = radio-isotopes = radionucléides  Instabilité: excès de protons et/ou de neutrons  Transformation ou désintégration du noyau radioactif pour retour à l’équilibre.  Avant la transformation : noyau père / Après la transformation : noyau fils Noyau père Transformation Noyau fils spontanée Emission de rayonnements = RADIOACTIVITÉ 11  La radioactivité  Emission d’un ou plusieurs rayonnements  Transformation spontanée  Noyaux fils : radioactifs ou non  Chaîne de désintégration (schéma de désintégration)  Diminution dans le temps: décroissance radioactive 12  Exemple de schéma de désintégration : Iode 131 On admet pour simplifier que l’iode 131 radioactif se transforme en Xénon 131 stable en émettant un électron d’énergie moyenne de 90 keV et un photon gamma de 360 keV 13  Schéma de désintégration de 238U la désintégration de l'uranium 238 (238U) en plomb 206 (206Pb) 14 Mesure de la radioactivité: l’activité (A) Activité (At) : nombre de désintégrations par unité de temps At =  x Nt  Nt : nbre de noyaux radioactifs (non désintégrés) à l’instant t   (lambda) : constante radioactive, = probabilité pour qu’un noyau radioactif se désintègre par unité de temps  est caractéristique du radioisotope 15  Les unités de l’Activité Unité Système International : Becquerel (Bq) 1 Bq = 1 désintégration par seconde (dps) 1 kilobéquerel(kBq) = 1000 Bq 1 mégabecquerel (MBq) = 1 million de Bq (106 Bq) 1 gigabecquerel (GBq)= 1 milliard de Bq (109 Bq) Ancienne unité : curie (Ci) activité de 1g de radium 1 millicurie (mCi) = 1 millième de Ci (10-3 Ci) 1 microcurie (µCi) = 1 millionième de Ci (10-6 Ci) Correspondances 1 Ci = 3,7. 1010 Bq= 37 GBq 1 mCi = 37 MBq 16  L’activité volumique C’est l’activité rapportée à un volume unitaire (en général le mL) Exemple: Si l’activité d’une solution de 5 mL est de 50 MBq le 14/12/20 à 12h, Son activité volumique est de 50 MBq/5 mL=10 MBq/mL le 14/12/20 à 12h NB: Penser à apporter la calculatrice (fonctions exponentielle et ln) pour les ED, TP 17  La décroissance radioactive Décroissance exponentielle N A No Nt = N0. e (- . t) Ao At = A0. e (-. t) t t Nt nombre de noyaux radioactifs présent à l'instant t N0 nombre de noyaux radioactifs présents à l'instant initial t0 At activité de l’échantillon à l'instant t A0 activité de l’échantillon à l'instant initial t0  (lambda) constante radioactive t (delta t) temps écoulé entre l’instant t et l’instant t0. (point) = multiplié par, parfois aucun symbole entre les 2 termes d’un produit Nt = N0 e (-  t) e: fonction exponentielle (de base e) , peut également être symbolisée par« exp » 18  La fonction exponentielle (e)  Notation exp(x) = e (x)= ex o Fonction croissante (ex) ou décroissante (e –x )  Propriétés de la fonction exponentielle exp(x + y) = exp(x) × exp(y) La fonction exponentielle transforme les sommes en produit. exp(x - y) = exp(x) /exp(y) exp(nx) = (exp(x))n  e –x = 1/ex Exemple, pour x=4 ,  e-4 = 1/e4  0,018  1/e –x =e x 19  Lien entre la fonction exponentielle (e) et la fonction logarithme népérien (ln) les fonctions logarithme népérien ln (x) = ln x exponentielle exp (x)= e (x) = ex (x placé « en exposant) sont des fonctions réciproques e (ln x) = x et ln (ex) = x Si y = ex Alors ln y= ln (ex) Et ln y =x 20 La constante radioactive  Symbolisée par  (lambda)  Caractéristique d’un radioisotope  Inversement proportionnelle à la période radioactive Tp du radioisotope  = ln 2/Tp ln x: fonction logarithme népérien Valeur numérique de ln 2  0, 693 21 La période radioactive  Période radioactive = demi-vie physique, symbolisée par Tp (ou par T)  Temps au bout duquel la moitié des atomes radioactifs initialement présents a disparu par transformation spontanée Demi-vie ou T1/2  Caractéristique d’un radioisotope  Exprimée en unité de temps: seconde, minute, heure, jour, mois, an 22 Exemples de périodes physiques Radioéléments Période 67Ga Gallium 67 3,26 jours 81mKr Krypton 81 m 12,8 secondes 99mTc Technétium 99 m 6,01 heures 123I Iode 123 13,21 heures 201Tl Thallium 201 3,05 jours 11C Carbone 11 20,4 minutes 15O Oxygène 15 2,04 minutes 18F Fluor 18 1,83 heures 68Ga Gallium 68 1,13 heures 13N Azote 13 9,97 minutes 23  Décroissance radioactive At = A0. e (-. t) Equation de décroissance entre un temps t0 et un temps t ln 2  t 0, 693  t ( ) ( ) At  A0  e Tp  A0  e Tp Activité At activité de l’échantillon à l'instant t A0 activité de l’échantillon à l'instant t0 A t temps écoulé entre le temps t0 et le temps t Tp période radioactive t et Tp sont des temps, unités homogènes A0 Avec le temps, la radioactivité d'un élément diminue du fait At de la disparition progressive des noyaux instables qu'il contient Temps t0 t NB: L’activité diminue dans le temps, mais ne s’annule jamais t 24  Equation de décroissance entre 2 temps t1 et t2 𝐀𝟐 = 𝐀𝟏 𝐱 𝐞−𝛌∗𝐭 Activité 𝐀𝟐 = 𝐀𝟏 𝐱 𝐞−𝐥𝐧 𝟐/𝐓𝐩∗𝐭 A t : temps écoulé entre le temps t1 et le temps t2 A1 A2 Temps 𝐀𝟏 = 𝐀𝟐 𝐱 𝐞+𝐥𝐧 𝟐/𝐓𝐩∗𝐭 t1 t2 t 25  Application de l’équation pour t=Tp = T1/2 Après une période physique écoulée, c’est-à-dire pour t=Tp, on a: ln 2  Tp ( ) 1 A0 (  ln 2 ) At  A0  e Tp  A0  e  A0  (ln 2 )  e 2 l’activité est divisée par 2 26  Application de l’équation pour t=nTp=nT1/2 Activité A chaque fois qu’une période s’écoule, l’activité est divisée par 2 A Au bout d’une période l’activité initiale est divisée par 2, Au bout de deux périodes, elle est divisée par 4, Au bout de n périodes, elle est divisée par 2n A/2 A/4 A/8 Temps 1Tp 2Tp 3Tp Au bout de 10 périodes, elle est divisée par 210 = 1024 Soit environ 1000 ln 2  n Tp ( ) 1 (  ln 2n ) At  A0  e Tp  A0  e  A0  e (ln 2n) 1 1 At  A0  ln 2 n  A0  n (e ) 2 27  Origine des Radioisotopes:  Radio isotopes naturels Présents sur toute la planète  Radioisotopes artificiels N’existent pas sur terre; crées artificiellement 28  Radio isotopes naturels (1)  Radio-isotopes n’ayant pas eu le temps de se désintégrer depuis la formation de la terre, caractérisés par une très longue demi-vie  uranium 238 (4,5 milliards d’années)  potassium 40 (1,3 milliard d’années)  Descendants radioactifs des précédents uranium 238 radium 226 radon 222  les radio-isotopes créés par l’action des rayonnements cosmiques sur certains noyaux d’atomes Ex : carbone 14 29  Radioisotopes naturels (2) Dans l’air Radon 222 Dans le sol (rayonnement tellurique) Uranium 238, Uranium 235 Dans l’eau Dans les organismes vivants dont l’homme Potassium 40 30  Radioisotopes artificiels  N’existent pas sur terre; crées artificiellement  Bombardement de noyaux d'atomes stables avec des particules appropriées. Ex: Iode 123 (radioactif) obtenu à partir de l'Iode 127 (stable)  Production : cyclotron ou réacteur nucléaire  Applications: industrielles et médicales 31  Partie II Les différents types de désintégrations radioactives et rayonnements émis 32  Rayonnements ionisants  Un rayonnement particulaire ou électromagnétique est ionisant lorsqu’il est susceptible d’arracher des électrons de la matière Energie rayonnement > Energie liaison  L'énergie d'un rayonnement ionisant se mesure en électronvolts (eV) Les multiples couramment utilisés sont: - le kiloélectronvolt (keV) 1 keV= 103 eV - le mégaélectronvolt (MeV) 1 MeV= 106 eV 33 Rayonnements ionisants 2 types de rayonnements ionisants  Rayonnements particulaires : émission de particules Rayonnements alpha () et bêta ()  Rayonnements électromagnétiques : ondes électromagnétiques (photons) Rayonnements gamma ( ), rayons X 34  Différents rayonnements ionisants  Photon gamma γ A X* Z ---> AZX + 00 Désexcitation nucléaire d’un noyau métastable (trop-plein d'énergie)  Se propage à la vitesse de la lumière  Faible énergie de l’ordre du keV  Pas de masse, pas de charge électrique  Parcours dans l’eau ou l’air important  Atténué par une couche de plomb ou de tungstène  Utilisé pour le diagnostic (comptage gamma caméra ) en tomographie par émission monophotonique ou TEMP Fort pouvoir pénétrant Faible pouvoir ionisant 35  Différents rayonnements ionisants Exemple de rayonnement gamma Emission  par désexcitation du technétium 99 métastable en technétium 99 99m Tc 43 ---> 9943Tc + 00 Schéma de désintégration du 99mTc 36  Exemples de radioéléments émetteurs gamma Pour la TEMP :Tomographie par émission monophotonique (SPECT :Single photon emission computed tomography) Radioéléments Période Energie gamma (KeV) 67Ga 3,26 jours 93,3 184,6 300,22 81mKr 12,8 secondes 190,3 99mTc 6,01 heures 140,5 123I 13,21 heures 159 201Tl 3,05 jours 167,4 37  Exemple de médicaments radiopharmaceutiques émetteurs gamma  HMDP – 99mTc (Ostéocis-99mTc)  MAA – 99mTc (Lyomaa – 99mTc)  Datscan (Ioflupane – 123I)  67Ga (Citrate de gallium 67)  81mKr gazeux  … 38  Différents rayonnements ionisants Rayonnement Béta + (β+) =positon (e+)  Excès de protons  Emission d’un positon (positron en anglais): particule chargée positivement A X Z ---> AZ-1Y + e+ 1p ---> 0n +0+1e 1 1  Durée de vie très brève  S’annihile avec un électron entrainant l’émission de 2 photons γ d’annihilation partant à 180 ° l’un de l’ autre avec une énergie de E = 511 KeV.  Utilisé pour l’imagerie TEP (Tomographie par émission de positon) PET (Positron Emission Tomography) 39 Principe de la TEP 40 Exemple de radioéléments pour la TEP Radioéléments Période 11C 20,4 minutes 15O 2,04 minutes 18F 1,83 heures 68Ga 1,13 heures 13N 9,97 minutes 41  Différents rayonnements ionisants Rayonnement Béta moins (β-)  Excès de neutrons entrainant perte d’un électron (particule chargée négativement β -) A X Z ---> A Z+1Y + 0 -1  0n ---> 1p + -1e 1 1 0  Energie importante  Parcours dans l’eau ou l’air de l’ordre du cm  Dépôt d’énergie important sur distance moyenne  Arrêté par du plexiglas ou une feuille d’aluminium  Utilisé pour la thérapie Fort pouvoir ionisant Faible pouvoir pénétrant 42  Différents rayonnements ionisants Exemple Désintégration - du molybdène : 99 Mo ---> 99m43Tc + e- 42 suivi d’une émission  par désexcitation du technétium 99 métastable en technétium 99: 99m Tc 43 ---> 9943Tc + 00 Schéma de désintégration du 99mTc 43 43  Différents rayonnements ionisants Rayonnement alpha (α)  Excès de proton et de neutron  Emission d’une particule lourde : noyau d’hélium A X Z ---> A-4Z-2Y + 42 2 (11p) + 2 (10n) ---> 42He  Très faible parcours dans l’air ou l’eau (mm)  Très forte énergie (de l’ordre du MeV)  Arrêté par une feuille de papier  Utilisé pour la thérapie Très fort pouvoir ionisant Très faible pouvoir pénétrant 44 Principaux radioéléments utilisés pour la thérapie (radiothérapie interne métabolique) Radioéléments Période Energie et rayonnement (KeV) 131I 8,02 jours Gamma : 365 KeV (iode) ß - : 606 KeV 153Sm 1,95 jours ß - : 703 KeV (samarium) ß - : 634 KeV ß - : 807 KeV 90Y 2,67 jours ß - : 2284 KeV (yttrium) 89Sr 50,65 jours ß - : 1492 KeV (strontium) 223Ra 11,4 jours α : 7386 KeV (radium) α : 6623 KeV α : 6819 KeV 45  Différents rayonnements ionisants Exemple de médicaments radiopharmaceutiques pour la thérapie  Métastron (89Sr)  Quadramet (153Sm)  131I  Xofigo (223Ra)  Zévalin (90Y) 46 46 Différents rayonnements ionisants L’interaction des rayonnements Bêta avec la matière peut dans certains cas aboutir à la formation de rayons X (voir cours interactions rayonnements avec la matière) Les Rayons X ont les mêmes propriétés que les rayonnements gamma:  Rayonnements ionisants  Fort pouvoir pénétrant mais prennent naissance au niveau du cortège électronique et non au niveau du noyau 47 Exercice 1  Vous préparez de l’HMDP-99mTc (Ostéocis) avec 10 GBq de 99mTc à 8 heures pour les scintigraphies osseuses.  Q1 : Quel est la période du 99mTc  Q2 : Quel type de rayonnement est émis ainsi que son énergie ?  Q3 : Quelle est l’activité de la préparation à 14 heures ? 48 Exercice 1 : solution  Q1 : 6 heures  Q2 : rayonnement gamma de 140 KeV  Q3 : à 8 heures, il y a 10 000 MBq (A0) dans la préparation  A14h= A0. e (-. t) = A0. e (- t.ln2/Tp)  A14h = 10000. e (- 6.ln2/6 )  A14h= 10000. 0,5 = 10000 / 2  A14h= 5000 MBq = 5 GBq 49  Exercice 2  Vous recevez une solution de 120 MBq d’iode 123 (123I) à 8 heures dans un volume de 4 ml.  Q1 : Quel est la période de l’123I ?  Q2 : Quel type de rayonnement est émis ainsi que son énergie ?  Q3 : Quelle est l’activité volumique à 8 heures ?  Q4: Quelle est l’activité volumique à 14 heures ?  Q5: Vous devez dispenser 8 MBq pour une scintigraphie thyroïdienne d’iode 123 à 14 heures. Quelle est le volume de la solution d’iode 123 à dispenser ? 50 Exercice 2 : solution  Q1 : 13,21 heures  Q2 : rayonnement gamma de 159 KeV  Q3 : Av8h = A8h/ Volume = 120 / 4 Av8h = 30 MBq/ml  Q4 : L’activité (A0) à 8 heures est de 120 MBq donc :  A14h= A0. e (-. t) = A0. e (- t.ln2/Tp)  A14h = 120. e (- 6.ln2/13,21)  A14h= 120. 0,73  A14h= 87,6 MBq Il y a 87,6 MBq d’iode 123 à 14h dans 4 ml. L’activité volumique à 14 h est donc :  Av14h = 87,6 / 4  Av14h= 21, 9 MBq/ml 51 Exercice 2 : solution  Q4 bis : L’activité volumique (Av0) à 8 heures est de 30 MBq/ml donc :  Av14h= Av0. e (-. t) = Av0. e (- t.ln2/Tp)  Av14h = 30. e (- 6.ln2/13,21)  Av14h= 30. 0,73  Av14h= 21, 9 MBq/ml  Q5 : A 14 heures, il y a 21,9 MBq dans 1 ml donc  Vol = 8 / 21,9  Vol = 0,37 ml 52 Merci de votre attention 53