Biophysique 2 Cours-Rsum PDF 2015/2016

Summary

This document is a summary of a biophysics course, likely for a first-year medical or pharmaceutical student at the University Hassan II. The notes cover topics such as electromagnetic and corpuscular radiation, basic radioactivity principles, and also introduces the concepts of radioprotection and associated topics like dosimetry.

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Université HASSAN II Faculté de Médecine et de Pharmacie Casablanca Biophysique 2 Morad JARI Je suis médecin, je partage POLYCOPIE COURS-RÉSUMÉ 1ère ANNEE_S2 2015/2016 Ce poly ne comporte pas les 3 derniers cours des Im...

Université HASSAN II Faculté de Médecine et de Pharmacie Casablanca Biophysique 2 Morad JARI Je suis médecin, je partage POLYCOPIE COURS-RÉSUMÉ 1ère ANNEE_S2 2015/2016 Ce poly ne comporte pas les 3 derniers cours des Imageries R. électromagnétiques et R. corpusculaires La longueur d'onde : λ = C.T ( C = 3. 108 m/s ) La pulsation : w = 2. Pi. v L'énergie cinétique : E = h. v λ = h / mc ( h = 6,64. 10-34 J.s ) à toute particule de vitesse v et longueur d'onde λ : λ = h / mv E ( ev ) = 12400 / λ ( A) 1 nm = 10 A ( A = Angstrom ) 1 Kev = 1,602. 10-16 Joules  Rayonnements corpusculaires ou Particulaires : (formés de particules matérielles en mouvement) + Protons + électrons + neutrons ( indirectement ionisé ) + Alpha + Noyaux d'autres atomes + Atomes ionisés  Rayonnements électromagnétiques : +X + UV + Infrarouge + Radars + Ondes radio - Pour ioniser un atome : il faut une énergie E > L (énergie de liaison) NB : on accepte E = L Une particule est dite ionisante si son énérgie dépasse : 13.6 ev  R. ionisant : λ < 1000A càd λ < 100nm  R. non ionisant : λ > 1000A càd λ < 100nm Si λ = 1000A ==> on accepte rayonnement ionisant - Energie de masse : Masse en mouvement m : - Masse en mouvement : m0 v - Pour un photon : m , avec   1 - ² c mc² = 511 Kev énergie totale : E  mc² Radioactivité * Même A ==> Isobares * Même Z ==> Isotopes * Même N ==> Isotones - Energie de masse du noyau < Somme des énergies de masse des nucléons - Energie de masse du noyau + Energie de liaison du noya = Somme des énergies de masse des nucléons ==> Mc² + L = ( N. mn + Z. mp ) c² ==> L =( N. mn + Z. mp -M )c - Plus un noyau est grand, plus L est élevée - L/A (énergie de liaison moyenne) est de l'ordre de 6 à 8 Mev par nucléon. - La stabilité du noyau dépend de : * La taille du noyau ( z > 82 ) * Proportion en neutrons et en protons * Niveau d'énergie du noyau - Dans les transformations radioactives il y a : + Conservation de charges + conservation de nombre de nucléon + conservation d'énergie + conservation de la quantité de mouvements exemple : X* ==> X + particule + hv - conditions de transformations du noyau : + Bilan énergétique positif : Ed > 0 + Conservation d'énergie , de charges... - Tous les isotopes artificiels sont radioactifs - On ne peut pas savoir quand est ce qu'un noyau va se désintégrer mais par contre , on peut savoir la probabilité de désintégration ( ou constante radioactive ) λ N(t) = N0.e-λt A0 = λ N0 A(t) = A0.e-λt 1 Ci = 3,7. 1010 désintégration par seconde ( d.p.s ) 1 d.p.s = 1 Bq Activité spécifique : a' (bq/kg) = A(t) / m λ = ln(2) / T La période totale ou effective : 1/T (tot) = 1/T (bio) + 1/T (phy) La masse de N atomes : m = N. A/Na ==> m = a.ln(2).A/T.Na - Les conditions d'émission de : * β- : excès de neutrons * β+ : excès de protons ( Notion d'énergie seuil : E > 1.022 Mev ) * alpha : Noyau trop gros * gamma : excès d'énergie * Conversion interne : Noyau lourd faiblement excité - Les spectres : Beta ( + et - ) : Spectre continu Gama : Spectre discontinu Alpha : Spectre de raies et discontinu Capture électronique : Spectre de raies - La capture électronique est en compétition avec β+ - C.E est possible si E(C.E)>EL - C.E est favorisé si : + E < 1.022 Mev + Noyaux lourds - Phénomènes secondaires à la C.E et à la C.I : + Emission d'un rayonnement X ( trou sur couche k ==> atome excité ) + Electron Auger - L'électron Auger est en compétition avec rayonnement de fluorescence. - Le Rayonnement gamma : + est électromagnétique d'origine nucléaire + est de longueur d'onde plus courte que les ondes visibles. - Filiations radioactives : Tmax = ln (λ2 - λ1) / λ2 -λ1 * Equilibre de régime : + Ta > Tb + Aa / Ab = cte * Equilibre séculaire : + Ta >> Tb + Aa = Ab Rayonnements X - Rayonnement caractéristique : * possible si Ec > EL * Spectre de raies * Caractéristique de la cible - Rayonnement de freinage : Au voisinage du noyau : + Electron dévié + Emission de hv tel que hv = Ec1 - Ec2 Cible mince : - Spectre continu - dN/dE = K. 1/E - Energie transporté par les photons : d3/dE = K = E Cible épaisse : ( Droite de Chalmer ) - d3/dE = P ( E0 - E ) - P = KIZ - L'énergie maximale : E0 (ev) = V (volt ) - Le rendement : P = ϕ/kIZ = 1/2 K. Z. V - Le flux (Puissance rayonnée ) : ϕ (w) = 1/2 K(v-1).I(A).Z.V²(v²) - Direction de l'émission des rayons X de freinage : * Faible énergie : Perpendiculaire à celle des e- incidents. * Haute énergie : Parallèle à celle des e- incidents. - Le spectre Vrai est la superposition entre le rayonnement de freinage et le rayonnement caractéristique. - L'intérêt du filtre : éliminer les photons de faible énergie, qui seront absorbés sans contribuer à l’image. Dosimétrie des rayons X et gamma - Fluence en un point : ϕ = dN/dS ( dN : nombre total de particules ) ( dS : surface de la sphère centrée par le point ) - Fluence énergétique : F=E.ϕ - Kerma ( kinetic energy released in material ) : k = d3k/dm :énergie transférée dans la masse dm ( unité J/Kg : Gy ) - Equilibre électronique : Possible si E < 3 Mev * Il y a compensation * Conditions : + Faisceau uniforme + Milieu homogène - Relation Kerma Fluence : K = ( Ut/p ). F - Exposition X : ( unité Roentgen R ) 1 C/Kg ==> 3,88 103 R - Différence entre K et X : X ==> Air ; k ==> N'importe quel milieu - Kair = 0,877. 10-2. X - Dair = Kair - Dm = Dair. (Ut/p)m / (Ut/p)air - Dm = 0,877. 10-2. X. (Ut/p)m / (Ut/p)air Interaction des rayonnements ionisants avec la matière - Les 2 phénomènes de l'interaction des électrons avec la matière sont : Collision et Freinage - La collision : + Projection de l'électron cible sous angle 0 < ϕ < Pi/2 + Déviation 0 < β < Pi/2 * Choc frontal : Transfert d'énergie important ( Ec2 = Ec 1 ) * Choc éloigné : Transfert d'énergie faible ( Ec2 = 0 ) - Le freinage : rayons de freinage : hv = Ec2 - Ec1 - Le pouvoir d'arrêt : S = Sc + Sf ==> La perte d'énergie se fait habituellement par collision ==> plus important que le freinage - Le transfert d'énergie linéique : * TEL = K. nZ. e²/v² * TEL (ev/cm) =DLI ( ionisation/cm). 34(ev) - Le parcours d'électron : R (cm ) = E( Mev ) / 2 - Portée : P (mm) = E(Kev) / 200 - Utilité de ces interactions en radiothérapie - Interaction des neutrons avec la matière : Interaction avec les noyaux + Si choc frontal avec hydrogène : Proton projeté détaché de son électron : Neutrons indirectement ionisants. ==> Pour la protection (arrêt des neutrons) on utilise des milieux riches en paraffine. - Effet photo-électrique : * hv disparait * Energie communiqué à une couche profonde * Energie du photo-électron : Ec = hv - wk * Le photon incident cède la totalité de son énergie E = Ea + Ed Etant donné la valeur de Ea on dire que l'effet photo-électrique un processus d'absorption " Vraie " - Effet Compton : + Interaction d'un photon incident avec un électron faiblement lié + Comparable à la collision * Pour le photon : 0 < ϕ < Pi/2 * Pour l'électron : 0 < β < Pi ==> Si choc tangentiel : E = E' ==> Si choc frontal : E' = E / ( 1 + 2E/mc² ) * Caractéristiques de l'électron Compton : + Libre + Faiblement lié ( couche superficielle ) - Effet de matérialisation : Se caractérise par la création des paires Les conditions pour qu'il soit : + A lieu au voisinage du noyau + E > 1.022 Mev - L'interaction du beta+ avec un électron au repos s'appelle Annihilation - Probalité d'interaction relative à chaque effet : * EPE = K. Z3/ E3 * EC = 1 /E * EM = K. E. Z² - Loi générale d'atténuation : N = N0.e-ux u = coefficient d'atténuation linéaire ( L-1 ) ( dépend du milieu , masse volumique ) u/p = coefficient d'atténuation massique dépend seulement de la nature du milieu u eau vapeur diffèrent de u eau liquide Mais U/p eau vapeur = U/p eau liquide Couche de demi atténuation CDA : CDA = X 1/2 = ln(2) / u Les détecteurs - Pour tout détecteur : Si N photons émis , seuls N.g arrivent au détecteur , et seuls N.g.R sont vraiment détectés ( R rendement du détecteur ) - Le rendement doit être constant pour que la réponse du détecteur soit linéaire - Le délai pendant lequel un détecteur ayant détecté un rayonnement ne peut pas détecter un autre s'appelle Temps Mort - 2 Composantes du mouvement propre ( bruit ) : * Physique * Electronique - Détecteurs exploitant l'ionisation : + Les détecteurs à gaz : * Régime de combinaison * Chambre d'ionisations * Régime proportionnel * Compteur Geiger Muller + Les Films ( émulsion de grains contenant Ag+ et Br- ) ==> Création de germes métalliques + Les semi-conducteur ( E < 3 Mev ) : * Solide * Petit * Plus d'interactions avec moins d'énergie ==> La chambre d'ionisations ( nombre de charges créées = nombre de charges arrivant aux éléctrodes ) permet de mesurer : - L'énergie déposée ( E = 34 * nb de charges ) - Le flux de rayonnement - L'activité d'une source ==> Compteur proportionnel : Facteur de multiplication ( amplification ) , Le nombre de charges qui arrivent au détecteur > nombre de charges créées ==> Compteur Geiger Muller ( V très élevé ) : Compte le nombre d'ionisations qui entrent dans le gaz - Détecteurs à scintillations : Comprennent 2 parties : 1/ Scintillateur ( cristal NaI + Thallium ) 2/ Photomultiplicateur ( impulsion , direction des photons bleus vers le photocathode ) Radiobiologie - La dose équivalente : H (sievert) = D (Gy) * Wr - La dose efficace : E (sievert)= Σ H(sievert) * Wt ( Σ Wt dans tous les tissus = 1 ) - La radiolyse de l'eau aboutit à la formation des radicaux libres : OH et H - L'effet qui fait aggraver les lésions s'appelle effet oxygène - Substance radio-protectrice : R--SH ( comment ? ) R--SH + OH ==> R--S + H2O - Les mécanismes de réparation : 1 / Excision resynthèse ( fidèle ) 2/ Réparation post- réplicative ( fidèle ) 3/ Réparation S.O.S ( infidèle ) - Mort cellulaire : * Nécrose = Mort immédiate * Apoptose + apoptose naturelle (homéostasie cellulaire ) + apoptose radio-induite (mort programmée prématurée , phénomène probabiliste) ==> Irradiation.. ==> Perte d'apoptose naturel ==> Cancérisation - Lésions chromosomiques : + Mutations géniques + Mutations chromosomiques * anomalies de nombre * anomalies de structure - 4 exemples d'anomalies de structure : - Délétions - Inversions - Translocations - Formarion d'anneaux - Les 5 facteurs de la radio-sensibilité cellulaire : 1/ Type et contenu cellulaire 2/ Le milieu 3/ Le cycle cellulaire 4/ Nature du rayonnement 5/ Débit de la dose ==> La radio-sensibilité est maximale aux phases G2 et M , et est minimale à la fin de la phase S - EBR = Dgamma / Dn - Tissus compartimentaux : * Compartiment souche : bcp de mitose , radio-sensibilité élevée * Compartiment de maturation : moins de mitoses , radio-sensibilité intermédiaire * Compartiment fonctionnel : Pas de mitoses , Cellules différenciés radio-résistantes -Le devenir des tissus dépend de : + Nombres de cellules souches survivantes + Durée de vie moyenne des cellules différenciées + Efficacicté du processus de réparation tissulaire - Facteurs de la radio-sensibilté tissulaire : + Age + Volume irradié + Temps + Rayonnement ( nature , énergie ) - Effets déterministes : Dose absorbé = seuil ( gravité dépend de la dose ) - Effets stochastiques ( probabiliste ) : pas de seuil ( gravité ne dépend de la dose ) Radioprotection - Les rayonnement X et gamma ( les principales ) sont indirectement ionisants. - Alpha , beta ( - et + ) sont directement ionisants. - Les principales origines des irradiations Non professionnelles : * Irradiation naturelle * Irradiation artificielle (non médicale) * Irradiation médicale * Irradiation accidentelle ( Erreur humaine ) + Origines des irradiation naturelle : - Rayons cosmiques ( croit avec l'attitude ) - Radio-isotopes contenus dans le sol - Radio-éléments naturels de l'organisme - Classification des sources + Sources non scellée : Conditions ne permettent pas de prévenir toute dispersion de substances radio-actives. + Source scellée : Résistance suffisante permettant d'éviter toute dispersion de substances radio-actives. - Classification des travailleurs : * Groupe 1 = DATR : Médecins , infirmier... * Groupe 2 = NDATR : physiciens , secrétaires... * Groupe 3 = Public ==> théoriquement non éxposés ( irradiation naturelle exclue de la réglementation ) Rq : - Femme enceinte ne peut pas travailler dans les conditions du groupe 1 - Personne âgée de moins de 18 ans ne peut pas travailler dans les conditions du groupe 2 - Classification des zones : * Zone surveillée ( Dosimétrie obligatoire ) Dose efficace dépasse 1mSV/an * Zone contrôlée ( Dosimétrie recommandée ) Dose efficace dépasse 6mSV/an - Principes généraux de la radio-protection : + Justification des pratiques + Limitations des doses reçues + Optimisation des doses délivrées - Les 3 types d'exposition : * Irradiation externe * Contamination externe ( possibilité de transformation en contamination interne ) * Contamination interne ( Modes : inhalation , ingestion , blessure ) - Les 3 règles de protection : + Temps + Distance + Ecran - 2 types de mesure de la contamination externe : * Dosimétrie passive * Dosimétrie opérationnelle Doses maximales admissibles pour les personnes par catégorie / 1 an (mSv) A B Public Corps entier 20 6 1 Extrémités et peau 500 150 150 Cristallin 150 50 50

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