Biophysique et Radiologie PDF

BIOPHYSIQUE et RADIOLOGIE C. Strazielle ([email protected])  Sommaire Biophysique du rayonnement Les rayons X Les interactions du rayonnement avec la matière Les grandeurs et unités en radioprotection  Les r...

BIOPHYSIQUE et RADIOLOGIE C. Strazielle ([email protected])  Sommaire Biophysique du rayonnement Les rayons X Les interactions du rayonnement avec la matière Les grandeurs et unités en radioprotection  Les rayonnements L’atome Neutrons Noyau Protons Atome Electrons Les électrons gravitent autour du noyau sur des orbites constituant différentes couches concentriques, toutes de même épaisseur. 2n2 est le nombre d’électrons que peut fixer une couche, n étant le numéro de la couche - La couche K a 2 électrons (2.12 ) - La couche L a 8 électrons (2.22 ),... Les différents types de rayonnement Le rayonnement désigne le processus d’émission ou de propagation d’énergie et de quantité de mouvement impliquant une onde ou une particule traversant l’espace et la matière. Ils peuvent exister sous 2 formes: corpusculaires ou particulaires ayant une masse électromagnétiques, sans masse, de type ondulatoire. L’énergie du rayonnement est dispersée au fur et à mesure de son trajet. On parle de transfert linéique d’énergie par unité de distance (TLE). Il est faible pour les rayonnements électromagnétiques.  Zone II : instabilité par un excès de neutrons Dans un noyau qui a trop de neutrons, pour gagner en stabilité, un neutron finit par se transformer en proton avec création d’un électron négatif = rayonnement β- Exemple: le noyau radioactif de phosphore 32 Energie cinétique maximale des β émis devient un noyau stable de soufre 32 est importante de l’ordre de 1,71 MeV  Zone III : instabilité par un excès de protons Dans un noyau qui a trop de protons, pour gagner en stabilité, un proton finit par se transformer en un neutron avec création d’un électron positif = rayonnement β+ Exemple: le noyau radioactif du fluor 18 Energie cinétique maximale des β+ émis devient un noyau stable d’oxygène 18 est importante de l’ordre de 1,65 MeV Un autre processus est en compétition: les noyaux possédant un excès de protons peuvent capter un électron de la couche électronique K pour se transformer en neutron. Il y a alors réarrangement électronique avec émission de rayons X.  Zones IV et V : instabilité par un excès de nucléons Dans un noyau qui est trop gros, pour gagner en stabilité, le noyau radioactif éjecte 2 protons et 2 neutrons = rayonnement ⍺ (équivalent d’un noyau d’hélium) Exemple: le noyau radioactif du radon 222 Energie cinétique maximale des ⍺ émis est devient un noyau de polonium 218 encore de l’ordre de 5,59 MeV radioactif Après une désintégration ⍺ ou β, si le nouvel élément est lui-même radioactif, il subit une nouvelle désintégration avec rayonnement corpusculaire. Ces désintégrations se poursuivent juqsqu’à ce que l’élément formé soit stable. Les rayonnements corpusculaires sont les rayonnements alpha, bêta et les neutrons. La stabilité du noyau d’un atome dépend du rapport qui existe entre les nucléons (protons et neutrons) qui les constituent. Lorsque les noyaux sont instables, on a des phénomènes de désintégration avec émission d’un rayonnement de particules d’une certaine énergie (désintégration α, β- et β+). L’atome est alors dans un état excité qui nécessite des réarrangements. On parle de phénomène de désexcitation par émission de rayonnements électromagnétiques: les rayons gamma (γ) résultent du réarrangement du noyau, les rayons X de celui du nuage électronique de l’atome. Les rayonnements sont ionisants lorsqu’ils possèdent une énergie suffisante pour éjecter un électron de l’orbite électronique d’un atome (phénomène de ionisation). Ils sont donc capables de déstabiliser la matière qu’ils traversent et, ainsi, susceptibles d’effets biologiques sur les cellules vivantes. Les rayonnements corpusculaires sont « directement ionisants » car ils sont constitués de particules électriquement chargées d’énergie suffisante pour produire des ions par interaction avec la matière. Les rayonnements électromagnétiques sont « indirectement ionisants » car, non chargés, ils ionisent le milieu par l’intermédiaire des électrons qu’ils mettent en mouvement grâce à leur énergie suffisante. L’énergie des photons peut varier. Les rayonnements ne sont ionisants qu’au dessus de 10 eV, c’est-à-dire au-delà du spectre de la lumière visible. Lorsque le phénomène d’ionisation a lieu, l’éjection des électrons est dépendante de l’énergie du rayon incident: plus celle-ci est importante, plus la vitesse de propagation des électrons est importante. Rayon incident Rayon incident La vitesse de propagation absorbé dans la avec une énergie des électrons est plus matière sans suffisante pour grande et leur trajet plus effet sur celle-ci. ioniser la matière. long. ONDES ELECTROMAGNETIQUES Le pouvoir de pénétration des rayons Par leur énergie, les rayonnements ionisants sont pénétrants, c’est- à-dire qu’ils peuvent traverser la matière. Le pouvoir de pénétration dépend du type de rayonnement et du pouvoir d’arrêt de la matière. Ce phénomène définit des épaisseurs différentes de matériaux pour s’en protéger. La pénétration est faible pour les rayonnements particulaires car ils sont arrêtés très facilement et rapidement par les champs électromagnétiques et les atomes composant la matière environnante. La pénétration est très grande pour les ondes électromagnétiques ionisantes qui sont sans masse et sans charge. Le pouvoir de pénétration des rayons En radiothérapie externe, on utilise essentiellement : 1) des photons (X ou gamma) pour lesquels il n’y a aucune différence de nature ou d’énergie, seulement une différence d’origine et 2) des électrons qui agissent surtout en surface. En curiethérapie, on utilise des sources radioactives scellées émettant des rayonnements beta (Ir) ou gamma (Cs)