FC1: Les Rayonnements Électromagnétiques X et γ (12/09/2023)

Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard FC1: Les rayonnements électromagnétiques X et 𝝲 Historique RÖNTGEN -Travaille sur les effets du courant électrique....

Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard FC1: Les rayonnements électromagnétiques X et 𝝲 Historique RÖNTGEN -Travaille sur les effets du courant électrique. -Utilise le tube de Crookes qui est un tube de verre soumis à un vide parfait dans lequel on place une cathode chargée négativement et une anode chargée positivement. Différentes étapes de la production des rayons X: 1-production d’électrons. 2-accélération des électrons par application d’une tension. 3-interaction des électrons avec une cible, ce qui aboutit à la production des rayons X. Il remarque que le rayonnements traverse les objets, il demande ainsi à sa femme d’apposer sa main en travers du rayonnement : c’est la toute première radiographie (1895). -Il appelle ces nouveaux rayonnements les rayons X. cela lui permet d’obtenir un prix Nobel de physique en 1901 pour la découverte des RX et un co-prix Nobel de physique en 1903 (avec Pierre et Marie Curie) pour la découverte de la radioactivité, qui se fera par la mise en évidence du rayonnement de l’uranium à l'aide de films photographiques. Schéma du tube de Crookes Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 1 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard Historique Image de la première radiographie de main (1895) INTRODUCTION BECQUEREL s’intéresse aux travaux de Rontgen. Teste des matériaux emballés dans un fil opaque pour voir si les rayons X continuent à traverser les matériaux, ainsi il teste notamment l’uranium qui, lorsqu’il est soumis aux rayonnements, continue à laisser traverser les rayonnements. Ainsi, il réussit à obtenir une image nette. Il place ensuite l’uranium dans un fil opaque dans un tiroir, et constate quelques jours plus tard que l’image est toujours aussi nette: il en déduit que l’uranium produit des rayonnements de façon spontanée (ce n’est pas une réflexion de la lumière, notamment solaire). Becquerel donne son nom au Becquerel (l’unité des désintégrations / s). C’est la mise en évidence des rayonnements alpha. Conclusion Ainsi n’importe quel médecin peut faire des tomographies par émissions de positon permettant d’obtenir une cartographie corporelle en regardant notamment la répartition du glucose. DEFINITION DES RAYONNEMENTS IONISANTS RAYONNEMENT Processus d’émission ou de transmission d’énergie sous forme de particules ou d’ondes. Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 2 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard IONISANT Pouvant créer des ions dans le milieu si E>13,6 eV (1 eV est l’énergie accumulée par un électron soumis à une tension de 1Volt). Atome possédant le moins d’énergie de liaison: L’Hydrogène. Différents types de rayonnements Un rayonnement correspond à de l’énergie en mouvement transportée par des : ondes donnant les Ondes mécaniques progressives et les Ondes électro- magnétiques=(Rayons X et 𝝲) Particules (concernant aussi les rayons X et 𝝲) mais lorsque l’on parle de rayonnements particulaires cela signifie qu’ils sont issus du noyau et concernent les rayonnements 𝝰 𝝱- 𝝱+ les protons et les neutrons. APPLICATIONS MEDICALES DES RAYONNEMENTS IONISANTS Imagerie -radiologique (Rayon X). -Scintigraphique (𝝲,𝝱+(e+)). Radiothérapie X,𝝲,électrons,protons,𝝰… Le but ici est de détruire les cellules malades. Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 3 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard REM X et 𝝲 Rappel sur la radioactivité l’atome (10⁻¹⁰m) est le constituant fondamental de la matière, constitué : d’un noyau (10⁻¹⁵m) constitué de protons(+) et de neutrons. d’électrons(-) autour du noyau. Isotopes Atomes qui possèdent le Si l’isotope d’un élément même nombre de protons est radioactif, on l’appelle mais un nombre différent radionucléide ou radio- de neutrons. isotope. L’atome X=symbole chimique de l’élément Z=numéro atomique=protons A=nombre de masse A=protons+neutrons A= Z + N avec N le nombre de neutrons Exemple Carbone 12: A=12 Z=6 Ce sont donc des Carbone 14: A=14 Z=6 isotopes. Le carbone 14 est un radio-isotope Radioactivité naturelle Phénomène physique par Phénomène aléatoire de lequel des noyaux probabilité 𝝺:constante de atomiques instables se désintégration. transforment (désintègrent) À l'échelle d’une spontanément en population d’autres atomes en d’atomes(N),l’activité (A) émettant simultanément correspond au nombre de des particules de matière désintégration par et de l’énergie. seconde (Bq=désintégration.s). Formule A(t)=𝝺×N(t) N(t)=N0×e⁻𝝺t A(t)=A0×e⁻λt T=demi-vie:temps pour que la population initiale soit divisée par 2=ln(2)/𝝺 tel que N(1/2)=N0/2 Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 4 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard REM Définition C’est une forme de transfert d’énergie à la fois sous forme: d’une onde -d’un transport de particules Caractéristiques ONDE: caractérisée par: PARTICULES caractérisé par : Sa vitesse de propagation L'énergie du (c):3×10⁸ photon (E) en kEv ou en Joules où Sa longueur E=h×𝞶 d’onde (𝝺) en m 1ev=1,6×10¹⁹ J Sa période (T) en h=6,62×10¹⁴kg.m² s où T=𝝺/c.s⁻¹ Sa fréquence (𝞶) Sera donné lors en Hz ou s-1 où du concours si 𝞶=1/T besoin selon le professeur. Rayonnements dans notre Domaine du visible:400- quotidien 800 nm Fréquence +basse:rayons infra rouges et ondes radio. Fréquences +hautes sont: Rayons X,𝝲 ainsi que les UV qui sont donc des rayonnements ionisants. Rayons UV sont des rayons d’énergies les plus élevées. Caractéristique fréquence=𝞶=c/?? Plus on va à droite plus la Longue onde:𝝺 fréquence et l’énergie ↗︎ Energie:E=h×𝞶 Plus on va à gauche plus la longueur onde ↗︎ Donc X et 𝝲 ont une énergie et une fréquence élevée et une longue onde faible.Seul l’aspect corpusculaire sera considéré Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 5 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard DIFFERENCE ENTRE LES X ET LES 𝝲 IMPORTANT++++++ ils ont la même gamme d’énergie les mêmes mécanismes d’interaction avec la matière les mêmes effets biologiques Le seule différence est l’origine du rayonnement: EXTRANUCLÉAIRE POUR X:- réarrangement du cortège électronique: interaction coulombienne e-/noyau. NUCLEAIRE POUR 𝝲:- désexcitation du noyau: dématérialisation du positon émis par le noyau. PRODUCTION DES RX Schéma But Créer des faisceaux d’électrons en chauffant l’anode, qui arrache les électrons, qui sont attirés par la charge +, qui tapent ensuite sur le matériau de la cible, créant un faisceau de rayons X. Ceci peut être réalisé dans un tube de Crookes ou de Coolidge (utilisation d’un filament pour cathode). Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 6 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard PRODUCTION DES RX Spectre des RX à la sortie du tube Caractéristiques Abscisse =énergie des photons Ordonnée: Intensité qui correspond au nombre de photon pour chaque énergie. INTERACTIONS DES RX 3 mécanismes d’interaction avec la cible 1/RX de freinage: interaction avec le Niveau macroscopique champ électrostatique du noyau: Rayonnement électromagnétique créé par le ralentissement(déviation) de charges électriques (électrons) au voisinage du noyau des atomes de l’anode. Peut prendre toutes les directions et même revenir en arrière. Le reste de l’énergie est dissipé sous forme de chaleur. Mécanisme qui produit le plus d’énergie. 2/Rayonnement de fluorescence Rayonnement électromagnétique créé par le réarrangement du cortège électronique suite à l’expulsion d’un électron Efluo=Ei-Ef atomique par un électron incident. Quand l'électron de la couche interne est expulsé, celui de la couche externe ira directement prendre sa place, ce qui va libérer de l’énergie L'énergie des raies sur les schéma du tableau du dessus est caractéristique du matériel de l’anode (Raie sur le schéma) Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 7 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard INTERACTIONS DES RX Interaction avec l’environnement Les rayons X possédant le - d’énergie interagissent avec l’air ou le verre du tube. Ces rayons ne nous intéressent pas car ne sont pas impliqués pour l’imagerie et pour le soin (PARTIE DÉBUT DU SCHÉMA) A noter Tungstène principale cible utilisée car possède un Z élevé Chaque flèche verticale ici: Correspondent a des raies d’énergie qui sont caractéristiques du matériel utilise ici c’est le Tungstene Schéma des mécanismes Rayonnement de freinage Rayonnement de fluorescence Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 8 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard INTERACTIONS RX Intensité aux bornes du tubes: détermine le nombre de photons émis. Tension(U) : aux bornes du tube, détermine l’énergie maximale des photons émis. Le rayonnement de freinage est le plus important quantitativement, son intensité augmente lorsque Ic augmente, et sa largeur est modifiée lors d’une modification de la tension. EXERCICES Déterminer quel paramètre du tube a été modifié dans les différents cas: CAS 1 REPONSE: La tension CAS 2 RÉPONSE:L'intensité CAS 3 REPONSE:on a changé ici le matériel de la cible car le pic de fluorescence a été changé. L’amplitude de freinage a été aussi changée Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 9 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard ORIGINE DES RAYONS 𝝲 Généralités Produit par désintégration des radio- éléments émetteurs y: noyau dans un état excité désexcitation spontanée -) état stable (ou moins instable) TC99m est le radionucléide principal utilisé pour la scintigraphie Il émet 2 pics de rayonnements 𝝲: 2kev ( trop faible ) 140kev Autre type de production: Emission γ souvent associée à un autre type de désintégration=cascade de désintégration Le cobalt induit d'abord une émission beta- qui sera étudiée dans le prochain cours puis Désintégration du Cobalt 60 par l'émission de 2 photons γ pour ensuite donner le nickel Conclusion production X Tube a rayon X Source émetteur 𝝲 et 𝝲 Type émission Emission discontinue Emission continue Formule puissance puissance constante Puissance diminue dans 𝛷=k.Z.Ic.v² le temps 𝛷(t)=𝛷0.e⁻𝝺t Spectre Spectre continu (+raies) Spectre de raie Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 10 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard Conclusion production X Tube a rayon X Source émetteur 𝝲 et 𝝲 Schéma Interaction X et 𝝲 avec la matière Atténuation On a donc un faisceau incident de rayons X qui rencontre la matière, ce qui induit ensuite un faisceau transmis avec une Intensité moindre que le rayon incident, c’est ce qu’on appelle l'atténuation. L'énergie des photons diminue I(transmis)=I0×exp(-𝜇x) Coefficient d’atténuation On définit alors 𝜇 qui est L'atténuation augmente le coefficient quand: d'atténuation linéique l'épaisseur du qui dépend de: matériel l'énergie du augmente rayonnement étudié (E) Z augmente du numéro atomique (Z) du 𝛒 augmente milieu de la masse Diminue quand volumique du l’énergie des milieu (𝛒) photons incidents épaisseur du augmente. matériau Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 11 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard Interaction X et 𝝲 avec la matière 3 mécanismes au niveau Absorption: les photons Formule résultante de macroscopique émis sont absorbés par le l'atténuation: milieu sans émettre de rayons transmis. N0-Nt=Na+Nd transmission: les photons émis rencontrent N0=photons initiaux la matière et ressortent en Nt=photons transmis émettant un rayon transmis possédant la Na=photons absorbés même énergie que celle Nd=photons diffusés du rayon incident REMARQUE:lors de la diffusion:les photons diffusion le rayon transmis incidents traversent le possède une direction milieu puis ressortent de différente de l’incident. ce milieu mais avec une énergie moindre.Ils peuvent même retourner vers l'arrière selon l’angle d’incidence sur lequel ils sont émis (rétrodiffusion). La couche de demi-atténuation est l'épaisseur nécessaire pour atténuer d'un facteur 2 le nombre initial de photons:I=I0/2 CDA=ln(2)/𝜇 Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 12 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard Interaction X et 𝝲 avec la matière Absorption par effet Le photon incident cède photoélectrique toute son E à un électron qui est éjecté (lonisation). Puis dans un deuxième temps on a une émission de photons de fluorescence (pas visible sur le schéma). Possible à énergie > 13,6 eV dans l'eau (énergie de liaison de l'électron de l’hydrogène) La probabilité que cette interaction se produise varie selon Z^(4)/E^(3,5) Probabilité qui augmente quand Z augmente et que E diminue. Diffusion par effet Compton Le photon incident cède une partie de son E à un e- qui est éjecté (ionisation) et le photon est dévié.Si il cède une grande énergie il peut revenir en arrière. Le photon incident peut prendre toutes les directions de l’espace, il faut donc que le manipulateur radio sorte de la pièce lorsque ce phénomène se produit. Ce phénomène prédomine aux hautes énergies Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 13 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard Interaction X et 𝝲 avec la matière Création de paires e-/e+ (aussi L'énergie du photon peut appelé “matérialisation”) être convertie au voisinage du noyau en une paire électron-positon ( particule et son antiparticule) qui vont être mis en mouvement et ensuite interagir avec l’environnement. Ce phénomène ne peut avoir lieu que si les photons ont une énergie supérieure au double de l'énergie de masse d’un électron au repos (> 1 022 keV). Ne permet pas de faire de l’imagerie (énergie trop importante) mais de la radiothérapie. Co-existence des phénomènes Importance relative (variable) des différents mécanismes en fonction du numéro atomique (Z) du matériau et de l'énergie du photon (E). L’effet photoélectrique prédomine dans les basses énergies mais ≻13,6eV, l’énergie minimale pour qu’un rayonnement soit “ionisant” La production de paire prédomine dans les hautes énergies. Entre ces deux phénomènes on a l’effet Compton. Conséquence 1 Pour la plupart des Rayonnement diffusé par applications médicales de effet Compton -> 2 rayons X et 𝝲 l’effet problèmes : Compton est prédominant dans les dégradation qualité des tissus biologiques images (mous) radioprotection Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 14 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard Interaction X et 𝝲 avec la matière Conséquence 2 Plomb = matériau idéal pour la radioprotection. Z élevé donc interactions par effet Photoélectrique induisant l’absorption des photons Relativement peu coûteux. Applications médicales des X Imagerie radiologique Un tube à Rayon X conventionnelle envoie des faisceaux de rayons X incidents qui traversent la personne, puis les rayons X transmis se projettent sur un écran qui détecte l'intensité des Rx transmis. L’image obtenue est appelée radiographie. Exercice du professeur sur ce On a un os d’une phénomène épaisseur de 2cm et ce même os fait une épaisseur de 6cm avec le muscle qui l’entoure. Données:𝜇 os=1,57 𝜇 muscle=0,383 Energie du faisceau en KV=30 Contraste=(I1-I2)/(I1+I2) Réponse I=I0.e^(-𝜇d) On a donc le I1=I0.e^(- contraste=0,8289 0,383×6)=0,1005 I0 I2=I0.e^(- 0,383×2).e^(1,57×2).e^ (- 0,383×2)=0,0094I0 Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 15 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard Applications médicales des X Tomodensitométrie, « scanner Un patient immobile » couché sur une palette d’examen est placé entre un tube à RX en rotation et des barrettes de détecteurs elles aussi en rotation. Emission continue d’un faisceau incident. Acquisition des données puis reconstitution en 3D de l’image. Radiotherapie externe En radiothérapie, on peut soumettre les lésions à des grandes puissances de faisceau de Rayon X de fortes énergies. Pour augmenter l’énergie il faut augmenter la tension car la fréquence augmente (𝞶). On utilise donc un Accélérateur linéaire d'e- (RX4 à 25 MeV) puis le faisceau sera dévié pour atterrir sur la tumeur Le but est de délivrer une dose maximale de rayonnement au niveau de la tumeur tout en limitant l’irradiation des tissus sains. On utilisera une cible en tungstène, ce qui permettra une production de RX très énergétiques. Cyber knife Le but est de centrer tous les faisceaux sur la lésion à traiter en utilisant toujours un accélérateur linéaire d’e- porté par un bras robotisé qui se mobilise rapidement dans toutes les directions de l’espace On parle de radiochirurgie pour cette technique qui a une précision inférieure à 1 mm. Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 16 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard Applications médicales des X Tomo-Therapy But: mieux conformer l’intensité du faisceau sur la lésion, pour cela l’accélérateur linéaire est en rotation, pour moduler l’intensité du faisceau et le patient est immobile. Applications médicales des 𝝲 Imagerie scintigraphique Administration d'un traceur (= médicament radiopharmaceutique) qui est une molécule vectrice composée d’un marqueur qui émet un rayonnement 𝝲 et d’un vecteur qui lui cible la fonction. Utilisation d’une 𝝲 caméra qui permet d’obtenir une image de la distribution du RP. Exemple: Tc99m:émission 𝝲 Diphosphonate: rentre dans les os Radiotherapie externe: PRINCIPE : C'est un dispositif gamma knife destiné à traiter des tumeurs cérébrales avec un casque possédant 200 micro-sources de cobalt 60 localisé sur un point qui fixe la lésion Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 17 sur 18 Cours du 12/09/2023 Tutorat Santé Amiens Pr Girard Applications médicales des 𝝲 Curiethérapie Radiothérapie interne / source radioactive scellée = RE dans enveloppe hermétiquement close: pas de dispersion possible. On traite de l’intérieur la tumeur en introduisant le RE directement à l’intérieur du patient On peut utiliser de l'Iridium 192 (émission γ de 320 keV sur une période de 74j) sous forme de fil dans une gaine ou de l'Iode 125 (émission γ de 35 keV sur une période de 60j) dans une micro capsule. Utilisation dans les cancers de prostate et du col utérin Version non corrigée Tutorat Santé Amiens- Ismaïl ADOUI Page 18 sur 18