CERF - Collège des Enseignants en Radiologie de France - A1. … · 2017. 1. 10. · CERF 2017 -...

Unité de Radiophysique et RadioprotectionCERF 2017 - [email protected]

a b-g

Xp

n

b+

Artificiels

Naturels

Ac

cé

léra

teu

rs

US

RF

UV

IR

onde radio

µ-onde

PhotonCorpuscules

1

10-3

10-6

103

106

eV

A1. Nature des rayonnements


Vallée de stabilité

Nombre de protons

Nombre de neutrons

C

O

Ne

PbZ trop élevé : émission a

Excès de protons :

émission b+, CE

Excès de neutrons :

émission b-

CE = capture électronique

Origine des rayonnements alpha, beta, gamma


Désintégration

Nombre de protons

Nombre de neutrons

C

O

Ne

Pb

Raa

a : 2 protons et 2 neutrons

b+

b-

b- : 1 électron

b+ : 1 positon

F

Mo

Rna

Poa


Les rayonnements alpha et beta

Les rayonnements a et b sont issus des désintégrations nucléaires de

noyaux instables.

Ces désintégrations sont presque toujours suivies, après un temps très

variable, d’une désexcitation.

Le noyau fils Y se désexcite en émettant un photon, appelé photon g.

Le noyau fils Y peut être lui-même instable et se désintégrer à son tour

(filiation radioactive).


Le tube RX c’est :1. une cathode, responsable de l'émission des électrons,

2. un champ électrique, accélérant les électrons,

3. une anode, source de production des photons RX.

4. le tube est une enveloppe protectrice assurant le vide et une isolation électrique,

5. le tube est doublé d’une gaine limitant l’irradiation à une direction,

6. un filtre coupe les RX de basse énergie dans le champ de vue.

7. un collimateur mobile (diaphragme) pour limiter le champ de vue.(5, 6 et 7 non représentés sur la photo)

e-i

HT

Production des rayonnements X


Principalement, le rayonnement interagit en cèdant son énergie à

la matière qu’il rencontre.

Nous allons donc insister sur les principales interactions :

Rayonnement matériel, cas de l’électron :

• Avec le noyau

• Avec le cortège électronique

Rayonnement lumineux :

• Effet photoélectrique

• Effet Compton

Les explications seront très schématiques.

A2. Interaction des rayonnements

ionisants avec la matière


Ionisationalpha vs matière


Interaction de l’alpha avec la matière

La particule a est massive et fortement chargée (2+), elle va très fortement interagir avec les couches électroniques de la matière qu’elle traverse.

En cédant peu à peu son énergie cinétique, elle est ralentie.

A chaque fois, l’énergie cédée va permettre une ionisation.

Le noyau étant entouré par les couches électroniques, la probabilité d’interaction a-noyau est très faible.


Ionisationbeta vs matière


Excitation

beta vs matière


Fluorescence X

Désexcitation

beta vs matière


b

X de freinage


Interaction du rayonnement beta avec

la matière

3 cas de figures possibles :

Perte de l’énergie cinétique de l’électron incident sans

interaction notable (chaleur),

Interaction avec le noyau et rayonnement X de freinage.

Interaction avec les électrons des atomes (Compton et

ionisation), raies caractéristiques.

0 50 100 150Energie (keV)

Inte

nsité

re

lative


Cas particulier du b+ : l’annihilation

b+

Unité de Radiophysique et RadioprotectionCERF 2017 - [email protected] le + probable de l’interaction photon-atome : rien !

Photon vs matière


Diffusion

Compton

Le photon est dévié, cédant de l’énergie à l’électron.

Effet Compton


Exemple de la diffusion Compton

(d’après projet MARTIR)


Ionisation

Toute l’énergie du photon devient énergie cinétique de l’électron.

Effet photoélectrique


La probabilité de l’interaction varie avec

l’énergie du photon.

Energie du photon (keV)

Probabilité (%)

1 10 100 1 000 10 000 100 000

Imagerie médicale Accélérateurs

Médicaux

Production

de paireCompton

Photoélectrique

Détecteurs


Exemple d’utilisation de la diffusion

Compton et de l’effet photoélectrique


Substrat de Verre

Silicium

Scintillateur(Iodure de Césium)

Capteur plan


En résumé, le photon et la matière

Interaction avec le noyau de l’atome traversé : Pas d’effet notable en radiologie,

Réaction (X,n) uniquement en radiothérapie 25 MV.

Interaction avec l’électron : En fonction de l’énergie cédée par le photon.

L’effet de production de paire n’arrive pas en imagerie. Il correspond à la conversion de l’énergie en matière (E=mc²), ici la création d’un électron et d’un positon. Il faut que E>1022 keV.

L’effet Compton est le plus fréquent en imagerie médicale.


Pénétration dans la matière

Transfert d’énergie linéique

a :

b :

photon :

proton :

Libre parcours moyen

10-4 10-2 1 m


En résumé :

Quelque soit le rayonnement, l’interaction

dépend de l’énergie cédée à l’électron du

cortège

Si l’énergie est insuffisante, désexcitation par

émission d’un photon X / UV / visible.

Si l’énergie est suffisante, ionisation de

l’atome.

D’où la définition du rayonnement

ionisant. Pour l’eau >13,6 eV.


A3. Comparaison des activités et

expositions naturelles et artificiellesIrradiation naturelle (2,4 mSv/an) Irradiation artificielle (1,3 mSv/an)

11 %

37 %

13 %

7 %

31 %

0,5 %

0,5 %

co

sm

iqu

e

rad

on

tellu

riqu

e

alim

en

tation

reje

ts

atm

osp

hé

riques

ima

ge

rie

mé

dic

ale

tub

e

ca

tho

diq

ue

http://images.google.fr/imgres?imgurl=http://www.physique.usherbrooke.ca/attracte/10-2000/industrie_nucleaire.jpg&imgrefurl=http://www.physique.usherbrooke.ca/attracte/10-2000/regle.htm&h=318&w=480&sz=58&hl=fr&start=7&tbnid=_yU5-e9dqGmC6M:&tbnh=85&tbnw=129&prev=/images?q=centrale+nucl%C3%A9aire&gbv=2&svnum=10&hl=fr&sa=X

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http://images.google.fr/imgres?imgurl=http://www.urofrance.org/BaseUrofrance/PU-2006-00160496/Images/Figure1.jpg&imgrefurl=http://www.urofrance.org/lienbiblio.php?ref=PU-2006-00160496&type=HTML&lang=fra&h=585&w=395&sz=46&hl=fr&start=4&tbnid=17dT-Gxala9-uM:&tbnh=135&tbnw=91&prev=/images?q=clich%C3%A9+radio&gbv=2&svnum=10&hl=fr

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http://images.google.fr/imgres?imgurl=http://www.fanc.fgov.be/images/portiques/laine de roche.gif&imgrefurl=http://www.fanc.fgov.be/nl/portiques_photo2.htm&h=1024&w=1536&sz=1081&hl=fr&start=69&tbnid=ga4JJS-6N5aTpM:&tbnh=100&tbnw=150&prev=/images?q=roche&start=60&imgsz=xxlarge&as_st=y&gbv=2&ndsp=20&svnum=10&hl=fr&sa=N

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A4. Exposition : grandeurs et unités


A4. Grandeurs dosimétriques

tissu (ou organe) T organisme

énergie transmise

dose absorbée DT

J. kg-1 gray ( Gy )

effet biologique(organe)

dose équivalente HT

HT = DT wR

sievert ( Sv )

dose efficace E

E = (DT wR wT)

J. kg-1

air fluence particules / m2

effet biologique

(individu)

source activité At becquerel ( Bq ) ou mA s-1

DT = dE /dm E = (HT wT)

wR : facteur de pondération radiologique,

tient compte de la nature du

rayonnement

wT : facteur de pondération tissulaire,

tient compte de la radiosensibilité

propre de chaque tissu ou organe

Grandeurs mesurables. Grandeurs réglementaires.Grandeurs rationnelles.


A dose absorbée égale, la probabilité d’apparition d’effets aléatoires

varie :

selon la distribution des ionisations dans le tissu,

donc de la nature et de l’énergie du rayonnement, par exemple son

transfert linéique d’énergie (TLE).

Pour intégrer ce paramètre, on va pondérer la dose absorbée par un

facteur lié à la nature du rayonnement aussi bien pour un champ de

rayonnement externe que pour un radionucléide incorporé.

C’est le facteur de pondération pour les rayonnements, wR.

Facteur de pondération pour les rayonnements


Type et domaine d’énergie wR

Photons, toutes énergies 1

Électrons, toutes énergies 1

Neutrons, énergie < 10 keV

10 keV à 100 keV

> 100 keV à 2 MeV

2 MeV à 20 MeV

> 20 MeV

5

10

20

10

5

Protons, énergie > 2 MeV 5

Alpha, toutes énergies 20

CIPR 60

Facteur de pondération selon le rayonnement


0,01 Peau

0,01 Cerveau

0,01 Glandes salivaires

0,01 Surfaces osseuses

0,04 Thyroïde

0,12 Poumon

0,12 Seins

0,04 Oesophage

0,12 Estomac

0,04 Foie

0,12 Côlon

0,04 Vessie

0,08 Gonades

0,12 Moelle osseuse rouge

0,12 moy tissu restant(muscle, cœur, rein, surrénales, vés. biliaire, pancréas,

grêle, thymus, rate, utérus/prostate muq buccale, gg

lymph.)

= 1

Facteur de pondération tissulaire


A nombre d’ionisations égal, avec le même rayonnement, les tissus n’ont pas la même radiosensibilité.

On a donc besoin d’une nouvelle grandeur, dérivée de la dose équivalente, pour quantifier les effets stochastiques à l’échelle de l’individu, ensemble de tissus différents.

Le facteur par lequel la dose équivalente est pondérée est appelé :facteur de pondération pour les tissus, wT.

Ce facteur représente la contribution d’un tissu au détriment total encouru par l’individu.

Cette contribution est la probabilité relative des effets pour chaque tissu, si tout le corps est exposé de manière homogène.

Facteur de pondération tissulaire


Dose fictive, qui serait administrée de manière homogène au corps entier.

Elle mesure la probabilité d’effets stochastiques, (les effets déterministes sont mesurés

en Gy)

Une dose efficace correspond toujours à une estimation corps-entier : des doses efficaces égales indique la même probabilité d’effets stochastiques.

Exemple : le facteur de pondération tissulaire des poumons est estimé à 0,12. Une exposition uniquement des poumons de 100 mSv équivaut à la même probabilité d’apparition de détriments qu’une exposition du corps entier de :

12 mSv (= 100 x 0,12)

Le seul pouvoir prédictif de la dose efficace est pour une population.

Dose efficace


Activité :

Fluence au côlon :

Dose absorbée à l’abdomen :

Dose équivalente à l’abdomen

Contribution de l’abdomen à la dose efficace:

Dose efficace :

9

6 / surface

5 (au +)

5 * 1 = 5

5 * 0,12 = 0,6

5 * 0,12 + 1 * 0,05 = 0, 65unités arbitraires

Il y a dose et dose. Exemple.


Les unités en résumé :

Le terme de dose peut exprimer 3 concepts :

l’énergie déposée dans le milieu (dose absorbée),

la façon dont le tissu est irradié (dose équivalente),

le risque à long terme pour l’individu (dose efficace).

On ne sait mesurer que la dose absorbée.

Les doses ‘en sievert’ (= équivalente ou efficace) sont estimées en choisissant des facteurs de pondération grossiers et en faisant des calculs.

Les limitations réglementaires de l’exposition sont données en terme de dose efficace.

Les expositions du patient à l’issue d’un examen est donnée en dose absorbée.

Unité de Radiophysique et RadioprotectionCERF 2017 - [email protected] N Hidajat et al, Berlin, BJR vol 72

Facteur de conversion PDL -> dose efficace

Dose efficace/PDL mSv/(mGy.cm)

<1an 1 an 5 ans 10 ans adulte

Tête 0.011 0.0067 0.004 0.0032 0.0021

Tête+Cou 0.013 0.0085 0.0057 0.0042 0.0031

Cou 0.041 0.029 0.026 0.012 0.012

Thorax 0.094 0.062 0.043 0.029 0.014

Abdo &

Pelvis

0.118 0.072 0.048 0.032 0.015

Tronc 0.106 0.067 0.046 0.032 0.015

Jambes 0.008


CONCLUSION DE CETTE PARTIE

La radioprotection utilise de nombreux termes très précis.

Pour les mesures et les calculs, elle repose beaucoup sur la

physique des rayonnements.

Les modèles de rayonnement, les unités utilisées ne sont

donc que des outils, manipulés avec plus ou moins de

bonheur.

Ils ne doivent pas escamoter le bon sens et la connaissance

du terrain, mais venir en complément.


Le rendement d'un écran de scopie est ~ 5 %.

Transformation d'énergie électrique en RX dans le tube : rendement < 1%.

L'émission de RX est distribuée dans toutes les directions de l'espace (360°) et seule une très petite partie d'angle solide (~15°) est utilisée à la sortie du tube : 2 % du RX sort du tube.

95 à 99% du RX est atténuée par le sujet radiographié.

Rendement global 1% x 2 % x 3 % x 5% = 3 / 10 000 000

B1. Facteurs impactant la dose : chaîne d’acquisition

5%2 %1 % 3 %


B1. Facteurs impactant … : paramètres d’acquisition


Optimiser les mAs et les kV

• Diminuer la dose peut se faire en diminuant le nombre de photons (mAs)

ou en diminuant leur énergie (kV).

• Baisser le nombre de mAs permet de réduire d’autant la dose au patient

(mAs /2 => Dose /2) alors que baisser les kV ne baisse la dose que de qq %.

• Par contre baisser les mAs baisse le noircissement, compensable en partie

en augmentant la luminosité, donc les kV.

Rayonnement de freinage

Emission caractéristique (ici

anode en tungstène)

0 50 75 100

Energie (keV)

No

mb

re d

e p

ho

ton

s m

As

25


Variation de la H.T.

(cible tungstène et mAs constants).

Variation des mAs

(cible tungstène et H.T. = 100 kV)

Impact des kV et des mAsIn

tensité r

ela

tive

Inte

nsité r

ela

tive

Energie (keV)


60 kV – 24 mAs 80 kV – 9 mAs 90 kV – 7 mAs

De : 2.5 mGy De : 1.7 mGy De : 1.6 mGy

Optimiser les mAs et les kV : exemple sur ERLM


90 KV – 8 mAs

De : 0.37 mGy

80 KV – 14 mAs

De : 0.44 mGy

60 KV – 71 mAs

De : 0.80 mGy

Optimiser les mAs et les kV : exemple sur capteur plan


B2. Amplificateur de brillance

RX

DC


B2. Ampli de brillance :

zoom

RX

DC

Zoom x2 Dose x 8


L’atténuation est plus importante pour les photons de basse énergie.

La filtration permet donc de couper les RX mous (= de basse énergie) au prix d’une

petite perte de RX durs (= de haute énergie).

Augmenter les kV, donc augmenter la filtration


Patient loin du détecteur ou corpulent

B3. Grille anti-diffusante


Position patient optimale

B3. Grille anti-diffusante


B4. Exposeur automatique

2 2

3

3

3

1. Centre de l’image

2. Organes symétriques

3. Organes verticaux1

Sur l’ampli de brillance,

l’exposeur occupe le centre de

l’image (/2).


B4. Exposeur automatique


B5. Scopie pulsée

Temps (ms)

Inte

nsité

(u

.a.)

1000

Cadence d’images + régime pulsé 33 %

125 250 375 500 625 750 875


Mesures possibles

B6. Evaluation des doses en radiologie : mesure

Valeur Mesurée ou Calculée ?

Paramètres d’acquisition

kV, mAs, filtration

M/C M/C M/C C C


Produit Dose Surface

PDS

Le Produit Dose Surface, ou PDS, est constant

quelle que soit la distance où on le mesure.

La valeur mesurée par la chambre d’ionisation à

la sortie du tube RX est donc identique à celle

qui serait mesurée à l’entrée du patient.

A B C D E


PDS : mesure par

chambre d’ionisation


La chambre d’ionisation


B6. Evaluation des doses en radiologie : approximation


6. Evaluation des doses en radiologie : approximation


Le numérique permet souvent de diminuer la dose

à condition d’optimiser les paramètres et de faire le CQ

dose

noircissement

sous

expositionOK sur

exposition

analogique

numérique


Réglementation :

Institué par les directives EURATOM 84/466, 97/43 et 2013/59

Surveillance stricte des appareils et contrôle qualité des appareils

contrôle de qualité des examens radiologiques, incluant tous les aspects :

Qualité de la chaîne radiologique

Reconstruction

Interprétation

Radioprotection

EUR1262 : idem mais dédié aux examens pédiatriques et moins complet

B7. Le Contrôle Qualité et Radioprotection du patient en

radiologie


Programme assurance qualité et radioprotection selon l’AIEA :

CQ interne :

Enregistrement écrits des procédures et ses résultats

Vérification de l’étalonnage et contrôle dosimétrique du matériel

CQ externe :

Obligatoirement réalisé par un organisme externe agréé.

Vérification du CQ interne (enregistrements)

Rapports des audits indépendants lors des contrôles de la conformité

des appareils et des locaux


7. Qualité Image. Contrôle Qualité.

Obligation règlementaire (ANSM).

Permet de vérifier l’état de l’ensemble du

système d’imagerie.

Les variations sont imperceptibles au jour le

jour mais importantes à moyen terme.

1 2 3

10

6

4

3

Sensibilité (%)

ans


La connaissance et le contrôle de l’ensemble de la chaîne

d’acquisition est un gain autant pour le diagnostic que pour la

radioprotection.

C’est un programme, partagé par l’ensemble du service, il

inclue le report de la dose, les NRD et le contrôle qualité.

La radioprotection doit donc être intégrée :

au fonctionnement du service,

à la pratique de chacun.

CONCLUSION DE CETTE PARTIE

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