Biophysique 2 Cours-Rsum PDF 2015/2016

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