Radioactivité, Nucléaire,..sont des mots à connotation négative et

pourtant…

Les radiations ionisantes révèle d’énormes possibilités tant positives

que négatives !

Disciplines médicales impliquant des radiations ionisantes

• Radiothérapie• Médecine nucléaire

– Visée diagnostique– Visée thérapeutique– Autres applications spécifiques

• En neurochirurgie• En neurologie…..

• Radiodiagnostic (imagerie médicale RX)– Radiologie classique– Médecine légale

• Tout type de Chirurgie scopie pour le radioguidage

• Radiologie interventionelle– Coronarographie,…

• Biologie clinique Toutes ces disciplines sont soumises à la réglementation

en matière de radioprotection

Problématique de la radioprotection (I)

• S’il n’existait que des effets donnant lei à des manifestions biologiques claires et si tout était mis en place pour que les valeurs de dose donnant ces effets ne soient jamais dépassées , les activités impliquant les RI pourraient être exercées avec la garantie d’une sécurité totale…

• L’incertitude scientifique quant à l’apparition d’effets aléatoires (cancers…) oblige à quitter cet univers de sécurité totale.

Problématique de la radioprotection (II)

• Quand on est dans un univers structuré par l’incertitude – domaine des rayonnements – la gestion du risque relève du principe de précaution

• Le principe de précaution doit éviter 2 écueils:– Le déni du risque (rayonnement invisible…pas évident

de se souvenir qu’un risque existe…)– La surenchère catastrophique (tend à remettre en cause

une activité pour laquelle on ne peut pas exclure un risque)

Système de radioprotection basé sur 3 principes…

• Justification des pratiques• Optimisation des doses délivrées• Limitation des doses reçues

Eviter la routine vis-à-vis d’un risque invisible

Le but de la protection radiologique est d’empêcher les lésions dans les tissus vivants par les radiations ionisantes

il faut éviter l’absorption du rayonnement par les organismes vivants.

Le rayonnement est porteur d’énergie qui est transmise à la matière et qui peut provoquer des dégâts

Source radioactive- activité- énergie

dose reçue

Réglementation belge en matière de radioprotection

«  Arrêté royal du 20 juillet 2001 portant règlement général de la protection de la population

et des travailleurs contre le danger des rayonnements ionisants »

« La somme des doses reçues du fait des expositions ne doit dépasserles limites de dose fixées pour les différentes catégories de personnes »

Limitation des doses

2 catégories de personnes- personnes professionnellement exposées- personnes du public

Zone contrôlée

Notre monde est radioactif…Nous sommes soumis quotidiennement à une irradiation

naturelle

1,1 mSv/an

2,4 mSv/an

Radioactivité artificielle

Irradiation médicale (radiodiagnostic)

Radiodiagnostic (utilisation des RX)

Contribution significative à la dose reçue par la population

Utilisation des rayons X

- Radiographie- Scopie et radiologie interventionnelle

Salle de coronarographie: arceau mobile permettant un double plan de rotation autour du

patient

Instrumentation: source de RX, une table et un arceau, un amplificateur de brillance, une caméra vidéo, des moniteurs de visualisation, système de traitement d’images

Qu’est-ce que la radioactivité ?

Découverte d’un phénomène majeur de la nature !

Je l’ai découverte il y a 112 ans et pourtant

elle a toujours existé !

La radioactivité est la propriété de certains noyaux de se transformer spontanément en

d’autres noyaux

C ’est l ’émission de rayonnement ou de particule caractéristique provoquée par la transformationd ’un noyau instable en un noyau stable.

Exemple : le 60Co émet 2 rayonnements Gamma (1.17 et 1.33 MeV)

Exemple : le 210Po émet une particule pour donner du Pb stable

Tout système instable tend vers une plus grande stabilité

LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°

Tout système instable tend vers la stabilité

La transformation du noyau entraine l’émission d’un rayonnement

Décroissance radioactive

1. Rayonnement

Quelques cm dans l’air (quelques MeV)

Parcours rectiligne

241Am 237Np +

LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°

2. Rayonnement (e-, e+)

Energie: quelques keV à x MeV

Parcours sinueux, quelques m dans l’air(qq mm dans les tissus vivants)

32P 32S + e-

LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°

Tout système instable tend vers la stabilité

La transformation du noyau entraine l’émission d’un rayonnement

Décroissance radioactive

1. Rayonnement 2. Rayonnement (e-, e+)

Energie: qq MeVParcours rectiligne, qq cm dans l’air, qq dizaines de µ dans les tissus vivants

Energie: qq keV à qq MeVParcours sineux, qq m dans l’airqq mm dans les tissus vivants

Rayonnement ionisant

LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°

4. neutrons

Suivant leur énergie, neutrons thermiques (0,025 eV), lents (< 1 keV), intermédiaires, Rapides (15 MeV)

Capturé par les noyaux

Noyau excité

Désexcitation par émission , ,

Les neutrons agissent par chocs

Parcours:- Neutron thermique (quelques dizaines de m)- Neutron rapide (quelques centaines de m)

LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°

3. Rayonnement électromagnétique ( et RX) se différenciant en fonction de leur origine

Rayonnement

Désexcitation du noyau après émission ou Propagation en ligne droite, Très pénétrant (peu d’interaction)quelques centaines de m (E = 1 Mev)

60Co 60Ni + + (E = 1,17 et 1,33 MeV)

Pour arrêter un de E = 1MeV (ex: 60Co): 200 à 300 m d’air……

Rayt : changement dans les niveaux d’E du noyau (quantifié)

Rayt de freinage: ralentissement des e- dans la matièreRayt X: changement dans les niveaux d’E des e- de l’atome

LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°

Rayonnement X réarrangement d’électrons (cas des isotopes)

125I 125Te + X +

Le Tube à Rayons X

• Tube à vide poussé• 2 Electrodes

– Anode Négative– Cathode Positive -

Cible• Haute Tension• Chauffage de la Cathode• Fenêtre• Gaine• Refroidissement

Pour produire des RX, nous avons besoin de…

- Une source d’électrons- Un haut voltage pour accélérer les électrons- Une cible pour absorber les électrons et produire les RX

Générateur de Rayons X

flux d’électrons

useful X-rays

anode Cathode (filament de W)

enceinte en verre

Mécanisme à l’origine des RX:

- collisions (électrons des atomes de l’anode)

- freinage (noyaux des atomes de l’anode)

Interaction e- - e-

Interaction e- - noyau

Phénomène physique de la production de RX:

Les collisions

• Ejection d’un électron (ionisation)

• Excitation d’un électron• Réaménagement

électronique– Déplacement des

électrons– Excédent d’E rayonné

sous forme de fluorescence

Absorption d’E Etat d’E supérieur Retour vers l’état fondamental

E ( Fluorescence) = différence d’E entre 2 couches électroniques (valeur caractéristique)

Spectre caractéristique

Phénomène physique de la production de RX: Le rayonnement de freinage

• Electron subissant la force d’attraction d’un noyau atomique– Ralentissement– Déviation– Perte d’E sous forme de

photons ( de freinage d’E entre 0 et E)

– Spectre continu

• Plus l’E de l’électron augmente et plus Z est grand, plus le phénomène sera important

Ce phénomène est celui qui est utilisé dans les générateurs à RX

Spectre des Rayons X

En résumé….

• Ces rayonnements sont des désintégrations nucléaires (E de la particule émise ou du rayonnement caractéristique de l’élément considéré)

• 3 caractéristiques d’un élément radioactif – nom de la particule ou rayonnement (, , , X,

n°)– E de l’émission (eV: keV, MeV)– intensité (cadence de désintégrations: nbre de

désintégrations par unité de temps)

La première radiographie…pour la première fois, on peut voir les os à

l’intérieur du corps

W. Roentgen

Et tout cela en travaillant avec des tubes cathodiques….

Découverte de la radioactivité naturelle par H.Becquerel

Émission par un sel d’Uranium de rayonnements capable d’impressionner une plaque photo

Découverte d’un phénomène majeur de la nature

Découverte par P.et M.Curie de deux éléments radioactifs: Po et

Ra En 1898 , Pierre et Marie Curie annoncent la découverte de deux éléments : le polonium (nom rapellant son pays : la Pologne) et le radium. Elle reçut le prix Nobel de physique en 1903, avec son mari et H.Becquerel ainsi que e prix Nobel de Chimie pour son travail sur le radium et ses composés en 1911.

Les premières lésions

Première expérience radiobiologique (involontaire)en 1900 par Becquerel : production d ’un érythème cutané 15 jours après exposition au radium.

Répétition (volontaire) de la même expérience par Pierre Curie en 1901.

Ces 2 expériences marquent le début de la radiobiologie

Un peu d’histoire…

• 1895 découverte des RX par Roentgen

• 1896 découverte de la radioactivité par Becquerel dans un minerai d’uranium

• 1898 Extraction du Po et Ra du minerai d’uranium (P. et M.Curie)

1920 conscientisation du danger d’une exposition et esquisse d’une réglementation

• 1932 découverte de la radioactivité artificielle par I. et F. Joliot-Curie

• 1942 mise en marche de la pile atomique par Fermi

• 1945 Bombe atomique sur Hiroshima et Nagasaki

Prudence!

Le Nucléaire fait peur Instauration d’un climat de confiance Protection efficace Limiter la probabilité d’un accident et si cela arrive.. rapidité et efficacité des secours

Lois de la radioactivité: période radioactive (T)

T: loi physique caractéristique de chaque élément radioactif (temps nécessaire pour que la moitié des atomes présents se soit désintégrée spontanément)

Au départ N0 noyaux:

1T ½ N0

2T ¼ N0

3T 1/8 N0

10 T un millième…

Exemple:Ra 226 1600 ansC 14 5730 ansTc 99m 6 heuresI 131 8 joursTh 224 1 seconde

Notions fondamentales

• Loi de décroissance: -dN/dt = λ Nt = A (λ:constante radioactive)

• Relation donnant le nombre d’atomes radioactifs restant après un certain temps t: Nt = No e-λt

• Période radioactive T: ½ No = No e-λt T = 0,693/ λ• Activité: A = λ Nt (activité absolue)

– détermination par comptage des particules émises par la substance radioactive

– Activité relative = rdt x activité absolue (le compteur ne mesure qu’une partie des rayonnements émis dans toutes les directions)

• Attention: nous ne pouvons dénombrer les noyaux radioactifs nous ne pouvons que détecter les rayonnements émis par ceux qui se désintègrent

Comment déterminer la période radioactive ?

• Rdt: rapport entre le signal net mesuré par l’instrument et l’activité d’une source de référence utilisation d’une source étalon

• Pour connaître T, on mesure l’activité relative de l’échantillon à reprises à des temps suffisamment espacés pour mettre en évidence une diminution de l’activité.– A(t) en fct du temps est une exponentielle.– En pratique, on utilise log A(t) en fct du temps droite

courbe de décroissance• Une droite jusqu’au BF 1 isotope• Évolution concave (évolution dans un graphique semi-log de

l’activité en fct du temps) mélange (A = A1 + A2 +An)– Extrapolation de la partie droite et soustraction de la droite extrapolée– Opération répétée

Échantillon radioactif rayonnement compteurActivité absolue(dés/sec)

Activité relative

Activité d’un radioélément

• Une source est caractérisée par l’activité qu’elle contient (nombre de noyaux se transformant spontanément par unité de temps), activité variant selon la décroissance radioactive.

Unité légale : Becquerel (1 Bq = 1 désintégration par seconde)

Ancienne unité: Curie (1 Ci = 37 milliards de Bq)

1 kBq = 1000 Bq1MBq = 1000 000 Bq

1 GBq = 1000 000 000 Bq

Chaîne de décroissance radioactive

Période effective et biologique

• En cas de pénétration dans l’organisme…– Décroissance physique suivant T– Élimination biologique (organe cible,

concentration…) TB

– Loi exponentielle dans les deux cas

Période Effective (TE)

1/TE = 1/TR + 1/TB

TE toujours plus petite que la plus petite des 2 autres !

Les effets biologiques d’une contamination interne dépendent de la nature et de l’activité du radioisotope présent dans l’organisme

Modes d’interaction des rayonnements avec la matière: connaissance nécessaire en

radioprotection• détermination de la dose absorbée par les tissus exposés• étude des détecteurs de rayonnements• conception des écrans de protection• 2 catégories de rayonnements

– directement ionisant (, , protons)– indirectement ionisant (, n°: production de particules secondaires

chargées)

• 3 modes d’interaction– Excitation: e- amenés à des niveaux d’E du niveau fondamental – Ionisation: électron éjecté du reste de l’atome

– Rayonnement de freinage: photon qu’émet une particule chargée en passant dans le champ coulombien du noyau d’un atome

Perte d’E (dE) par unité de longueur (dX): dE/dX = K. mZ2/E Parcours d’une particule R = E0

2/ 2KmZ

Perte d’E (dE) par unité de longueur (dX): dE/dX = K. EZ2/(mc2)2

Interaction des rayonnements ionisants avec la matière

• Les rayonnements perdent leur énergie en traversant la matière– Action directe sur les électrons par les et – Excitation et ionisation des atomes par les – Excitation des noyaux par les n°

• Rayonnement directement ionisant ( et )– Interaction avec les électrons périphériques

• Expulsion de l’électron ionisation nbre de paires d’ions

• Déplacement d’un électron sur une autre couche excitation de l’atome et émission de photons X

Ionisation de la matière

7300 x plus lourd que e-

Trajectoire rectiligneTrès ionisantes (milliers d’atomesdans cellule)

e-

Trajectoire sinueuseFaiblement ionisant (petit nbre d’atomes dans cellule)

Interaction des RI avec la matière: les photons

• Rayonnement électromagnétique se différenciant par leur origine – Rayonnement : changement dans les niveaux d’E du noyau

(quantifié)– Rayonnement de freinage: ralentissement des e- dans la matière– Rayonnement X: changement dans les niveaux d’E des e- de l’atome

Effet photoélectrique Effet Compton Production de paires

Toute l’E du photon cédée à l’e- sous forme d’E cinétique

Partie de l’E du photon cédée à l’e-

Photon de moindre E

Photons E < 50 keV

Photon d’E > 1.02 MeVNoyau avec Z élevé

2

+

-

-

1

E = 0.511 MeV

E entre 50 keV et 20 MeV E > 20 MeV

Interaction des avec la matière: Effet photoélectrique

• Totalité de l’E transférée à un e- de l’atome

– Seulement si l’E > EK

– Eliaison avec Z et proximité du noyau

• Coefficient d’absorption photo-électrique

– µphoto-électrique ∞ Z3/E3

• En pratique…– Pb bon matériau pour les écrans de protection contre les RX (permet

l’arrêt des RX de faible E et un bon % des autres)– Bon contraste de l’image radio– Effet principal dans la matière organique (Effet majeur pour V >

70kV) car arrêt du RX de faible E et production d’un électron pouvant être biologiquement néfaste

Ee = h - EK

Effet important pour les photons de faible E et dans les matériaux lourds

Interaction des avec la matière: Effet compton

• Partie de l’E du transmise à l’e-

• Distribution angulaire en énergie– Pour élevé, E diffusé fort réduite

• Conséquence: dégradation importante du spectre d’E des – Détecteur sensible sur un domaine étendu d’E

de avec un certaine réponse angulaire– Le diffusé est multidirectionnel

• Peu d’influence de Z masse de matière présente!– Efficacité de l’écran de protection ne dépendant du matériau choisi

• En pratique…– Diffusé encore assez énergétique pour avoir des effets sur image

radio (voile) et constituer un danger pour le personnel qui doit se protéger

– provient du patient. Diffusé avec l’E des RX et du volume irradié

Ec = hO - h hO

h

Ec

Interaction des avec la matière: matérialisation

• E > 1MeV matérialisé en 2 e- avec Ecinétique

• Distribution en énergie– Pour de haute E, Ecinétique également répartie entre

les e-

– Pour de faible E, E des positons > E des négatons

• Distribution angulaire– Pour de haute E, dirigé vers l’avant

• Annihilation– Lorsque Ecinétique (+) <<, + est attiré par un -

apparition de 2 photons de E = 0.511 MeV– Si e- au repos, photon émis dans direction opposée

• En pratique…Ne concerne pas le radiodiagnostic+

-

-

1

E = 0.511 MeV

Erésiduelle = h - 2mOc2

Atténuation globale d’un faisceau de photons

• µ dépend de l’E des incidents et de la nature du matériau absorbant (masse volumique, numéro atomique)

I = IO e-µx

Domaine prépondérant d’interaction en fonction de l’E des rayonnements et du Z du matériau absorbant

Domaine prépondérant d’interaction en fonction de l’E des rayonnements et du Z du

matériau absorbant