1

NOTIONS DE DOSIMETRIE ET BASES PHYSIQUES DE LA RADIOTHERAPIE

2

NOTIONS DE DOSIMETRIEI. BUT

Définir et mesurer des grandeurs caractérisant l'irradiation à laquelle est soumis un organe ou un individu :

-Lors d'examens nécessitant des radiations ionisantes (photons X ou

) en radiographie classique, TDM, interventionnelle, médecine

nucléaire

-Lors des traitements par radiations ionisantes (photons, électrons…) :

radiothérapie externe ou interne.

Pour :

-Eviter les lésions et minimiser les risques encourus : examens,

-Etre le plus efficace sur le tissu cible et le moins agressif possible sur

les tissus sains : traitements de radiothérapie ou curiethérapie.

Ces grandeurs sont liées à l'énergie perdue par les radiations ionisantes dans

les tissus (ou plus généralement "le matériau").

3

II. GRANDEURS CARACTERISANT LA DOSIMETRIE DES FAISCEAUX DE PHOTONS X OU (radiologie, radiothérapie).

1/ Caractéristiques du faisceau-La puissance que transportent les photons ou flux énergétique : φ (watt) ;

-L'énergie apportée par le faisceau pendant une durée t en est

l'intégrale W = t

0 φ dt

-Si le flux énergétique est constant, W (J) = φ (W) t (s)

-L'éclairement de la cible :

E (W/m2) = φ (W) / s (m2)

-La fluence est l'énergie / unité de surface

F (J/m2) = W = t0 φ dt = t

0 E dt si E = constant, F = E.t

S S

4

2/ Le KERMA (Kinetic Energie Released per Mass Unit)C’est l'énergie - perdue par les photons dans une petite tranche de matériau de masse dm- cédée aux électrons

dW = µt W dx

K = dW (J/kg)

dm

K = µt W dx = µt W dx = µt F dv S dx

S

dx

5

• Le KERMA :• n'est pas directement mesurable,• ne dépend pas de l'entourage,• si on connaît F en ce point, on peut le calculer.

6

3/ La dose absorbée

C'est l'énergie effectivement cédée par les électrons secondaires / U.M. matériau.

D = Wi m

D en J/kg ou Gy

Ancienne unité 1 rad = 1 cGy

m

e-

e-e-e-

7

La dose absorbée : peut se mesurer (mais difficile : capteurs à l'intérieur des tissus, fantômes…),• dépend de l'entourage : puisque les électrons sont mis en mouvement préférentiellement dans une direction proche de celle des photons, ils « exportent » l’énergie vers l’intérieur du matériau et la dose absorbée près de la face d’entrée du matériau est inférieure à la dose au sein du matériau.

8

4/ Egalité KERMA = DOSE, équilibre électroniqueK = D quand il y a compensation entre l'énergie emportée par les électrons mis en mouvement dans m et l'énergie apportée par des électrons mis en mouvement à l'extérieur.Conditions :

m située dans M plus grande, à distance de la face d'entrée des . M à des dimensions trajectoire des e- << libre parcours moyen (1/µ) des .

W

m

Le Kerma ne varie pas avec la profondeur x tant que le faisceau n’est pas sensiblement atténué. La dose est plus faible que le kerma à proximité de la face d’entrée des photons. En pratique, l’équilibre électronique est réalisé dans l'eau si E < 3 MeV.

m

K

D

x

9

5/ Exposition

Etudions les charges créées par unité de masse d'air pour une certaine dose

absorbée.Dair = W = nions . W0

m m

où W0 = énergie pour créer une paire d'ions dans l'air 33,7 eV

soit 33,7 (J) x e ( C).

Q = nions . E d'où Dair = Q W0 L’ exposition est X (C/kg) = Q m e m

Si on collecte les charges créées par les ionisations d'une m d'air au sein d'une masse d'air où l'équilibre électronique est réalisé, on a :

Dair (Gy) = Kair = X (C/kg) W0 = X . 33,7 . e e e

10

6/ Grandeurs instantanées

K, D et X correspondent à des grandeurs intégrées (comme W et F),

on appelle "débit de" … les valeurs instantanées correspondantes.

On a, par exemple, le débit de dose :D

.

(Gy/s) = dD ou D = D. dt

dtLe débit d’exposition X

. (C/kg/s) = dx

dt

Si D. constant, D = D

. t

11

I I I. METHODES DE CALCUL DE LA DOSE

En mesurant F

Dans le cas d’un faisceau intense, F peut se mesurer par calorimétrie.

L’élévation de température est de l’ordre du millième de K, cette

méthode est impossible en routine.

En mesurant X F = Dm = Dair Dm = Dair (µ/)m

(µ/)m (µ/)air (µ/)air

Dm = X . W0 (µ/)m

e (µ/)air

12

Aux énergies comprises entre 0,1 et 10 MeV, le rapport des µ/ est constant pour les tissus de l ’organisme et voisin de celui des muscles qui vaut 1,07.

d'où Dtissus = X . 33,7. 1,07 = X . 36

(Gy) (C/kg)

13

Pour connaître X :

- Grande chambre d'ionisation.

Si on mesure Q, connaissant la masse d'air, on trouve X Dm

Si on mesure i X. D.m

Inconvénient : très encombrant (car M trajectoire e- dans l'air).

- Petite chambre d'ionisation.

Comme si on comprimait l'air autour du volume de mesure

solidification. En fait paroi réalisée dans un matériau dont le Z celui

de l'air : Bakélite. On peut mesurer D ou D..

- Stylo dosimètre : même principe, il est chargé, puis se

décharge avec D.

- De façon analogue grâce à des détecteurs solides.

Les radiations ionisantes modifient leurs propriétés :

optiques thermoluminescence,

électriques semi-conducteurs.

14

IV. APPLICATION EN RADIOTHERAPIE

X et de faible énergie : calcul des isodoses. Dose à la peau élevée

60Co ou trons (X de 10 à 40 meV) : grand nombre d'e- secondaires D en profondeur plus forte.

Feux croisés : optimisation des positions successives du faisceau par ordinateur à partir de coupes obtenues en TDM, afin que la cible, située au point d’intersection, soit irradiée selon plusieurs incidences, ce qui épargne les tissus sains avoisinants.

Le but est de délivrer, en plusieurs séances (fractionnement) une dose d’au moins 40 Gy aux tissus cancéreux, en minimisant la dose reçue par les tissus sains (peau, poumon sain, système nerveux central …).

15

VOLUMES CIBLES EN RADIOTHÉRAPIE

DÉFINITIONS ICRU 62, 1999

GTV

Volume cible prévisionnel:marges liées aux mouvements

et aux erreurs de positionnement

Volume tumoral

macroscopique

Volume cible clinique :extension infra-clinique

PTV

CTV

16

Accélérateurs linéaires couplés dont le plan d’irradiation est calculé grâce à l’imagerie en coupe

17

Appareil d’irradiation

Simulateur TDM et dispositifs de contention