Les électrons

Les électrons

Département de radio-oncologie

Centre de Santé et de Services Sociaux de Chicoutimi

Vincent Lalande

Mars 2006

1. Introduction 2. Interactions avec la matière et dépôt de la dose3. Production du faisceau d ’électrons4. Paramètres de traitement5. Courbure et irrégularités6. Hétérogénéités et gap d ’air7. Jonctions8. Cas traités au CSSSC9. Étalonnage des appareils et calcul des UM10. Conclusion

Plan de la présentation

C’est quoi un électron !!!

• L’expérience des rayons cathodiques en 1854 par Heinrich Geissler. Une pompe à vide avec deux électrodes métalliques faisant apparaître une lueur sur la paroi du tube

• Découvert le 30 avril 1897 par le physicien anglais Joseph John Thomson.

• Le pinceau de lumière est dévié lorsqu'il passe entre deux plaques métalliques chargées : il ne s'agit pas d'une onde mais de particules chargées négativement. Il les appelle électrons.

1. Introduction

+

_

+_

• Considérée par la physique comme une particule

• Ils sont très légers

• Ils diffusent beaucoup

• Masse de 9.11 x10-31 kg

• Charge de 1.602 x 10-19 Coulomb

• Ils subissent la Force de Coulomb entre deux corps chargés:

F = K * Q1 * Q2

R2

– Q = charge des corps – R = distance entre les deux

1. Introduction

Électron traversant un milieu:

2 mécanismes importants:

• Collisions Électrons-Électrons – (Excitation, ionisation)

• Interaction avec avec le noyau par la force de Coulomb– (Bremsstrahlung ou Radiation de freinage)

2. Interactions avec la matière

• Collision Électron-Électron (Excitation, ionisation)– Responsable du dépôt local de la dose


• Freinage par le noyau (Bremsstrahlung)• Responsable d ’une dose de contamination (%RP)

– Augmente avec E – Augmente avec Z

• Z = numéro atomique ou nombre de protons de l ’atome (Ex : C12)


• L ’électron qui entre dans la matière perd de l ’énergie• Ex: balle de fusil

– Vitesse = Énergie– Dommages

• Le pouvoir d ’arrêt correspond à l ’énergie perdue par un électron traversant un milieu par unité de longueur– S = (Énergie / longueur) = (Joule / m)

• Pouvoir d ’arrêt massique – Division du pouvoir d ’arrêt par la densité du milieu– (S / )

2. Dépôt de la dose

Pouvoir d ’arrêt massique :• 2 mécanismes

– Collision– Radiation

(S / )tot = (S / )coll + (S / )rad

Énergie clinique (6 à 20 MeV)Dans l ’eau Z = 7.42Le plomb Z = 82

Portée (cm d ’eau) = E/2Ex : 12 MeV = Portée de 6 cm


Énergie

S/

Graphique de (S / ) pour le plomb et l’eau

2

2 MeV/cm dans l ’eau

6 à 20 MeV

• D ’une manière simplifiée la DOSE est calculée par :

D = * (S / )coll


(J / Kg) [ # Électrons / m2 ] [ (Joule / é)* m3) / (m * Kg)]= *

Aire de X m29 électrons ayant une énergiede X Joule

• RADIATION = ÉNERGIE

• Avec de l ’énergie

on peut modifier

l ’ADN de la cellule

cancéreuse et ainsi la tuer

• Électrons = Ionisations• N ’oublions pas la diffusion !!!


• L ’angle de Diffusion moyen :

2. Diffusion

si Z (f de coulomb)

si E (figure)

avec la profondeur

Pouvoir d ’arrêt = E

Plus que 2 MeV/cm pour les électronsen fin de course

• L ’angle de Diffusion moyen :

2. Explication du « Bulging »

avec la profondeur

Il y a plus de diffusion en profondeur ce qui créée la bulle de dose dans les zonesde pénombre et hors champs

• But : Produire un faisceau utile cliniquement

3. Production du faisceau d’électron

• Faisceau d ’électron très mince arrivant

• Cible en photon retirée

• Filtre égalisateur en photon retiré

• Linacs ont été améliorés par l ’arrivée des systèmes composés de 2 feuilles diffusantes


• Première feuille diffusante– Z élevé– Mince pour éviter le brem– 50 % du Bremstrhalung (%RP)

• Deuxième feuille diffusante– Z faible (éviter plus de brem)

– épaisseur différente– avoir un profil de dose plat– utile pour traiter


Sans feuilles diffusantes

Première feuille

Avec les 2 feuilles

• Énergie (6 MeV à 20 MeV)

• DSP (généralement de 100 cm ou 105 cm)

• Grandeur de champ (environ 3 x 6 à 10 x 10 cm2)

• Applicateur (10 x 10 ou 15 x 15 cm2 --- mesures)

• Paramètres machines (angle de bras, colli. et socle)

4. Paramètres de traitement

• C ’est l ’énergie qui détermine le % RP

– Rappel important (S / )tot = 2 MeV/cm dans l ’eau

• Plus l ’énergie est élevée, plus le %RP est élevé avec la profondeur

• (refaire) Ce qui rend les électrons attrayant, c ’est qu’ils sont efficaces à de faibles profondeurs et rapidement ce qui peut aussi être un désavantage – (dose peau et manque de dose)

4. Le rendement en profondeur

En photon: (probabilité d ’interaction)• Les photons ne déposent pas la dose. Ils transmettent de l ’énergie aux

électrons des atomes du milieu traversé et ce sont ces électrons qui vont donner la dose.

• Les premiers photons mettent des électrons en mouvement (portée maximale). La production des électrons continue avec les autres photons qui n ’ont pas interagit. Le « build-up » se produit environ à la portée maximale des électrons mis en branle par les premiers photons.

En électrons: (interagissent immédiatement)• Ils déposent la dose par eux-mêmes• L ’augmentation de la dose après la surface est causée par la diffusion

des électrons. L ’angle de diffusion augmente avec la diminution de l ’énergie.– Dose peau plus élevée

4. Le rendement en profondeur en photon

• Beaucoup plus pénétrant• Dose peau moins élevée (4 MV --- 60 %)• Région de « Build-up », gradient plus élevé• Plateau à Dmax moins large

4. Le rendement en profondeur en photon

• Il y a trois parties qui composent le rendement en profondeur des électrons

• Entre la peau et Dmax

• La pente abrupte créée par la perte d ’énergie des électrons jusqu’à leur portée maximale

• Le bremstrahlungprovenant du patient et de la tête de l ’accélérateur(50 % chacun)

4. Le rendement en profondeur en électron

Dose peau

dmax

La portée

Contamination

• Dmax si E • Dose peau si E • Cont. Du Brem si E • Gradient de dose si E

4. Le rendement en profondeur en électron

Champ de 10 x 10, DSP = 100 cm

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

100,0%

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0

Profondeur (mm)

% d

e d

os

e

Plateau à Dmax assez largecomparé aux photons

Dose peau si E :• Expliqué par la diffusion si E

4. Le % de dose à la peau et l ’énergie

10°45°

Basse énergie Haute énergie

fluence = 0

fluence = 0/cos

Peau

3 rayons entrant dans le cercle

4 rayons dans le cercle5 rayons dans le cercle

Des approximations cliniques utiles tirées es %RP:– Le R80 E/2.8– Le R90 E/3.2– Plus facile à retenir R85 E/3 (isodose clinique de presc.)– Dose peau si E – Brem de 0.5 % à 6.0 % et si E

4. Le % de dose à la peau, la contamination et la couverture

6 MeV 81 % à 77 % 0.5 % 1.7 cm 1.8 cm 1.9 cm9 MeV 88 % à 81 % 1.0% 2.7 cm 2.9 cm 3.0 cm12 MeV 92 % à 86 % 1.4 % à 1.6 % 3.9 cm 4.1 cm 4.3 cm16 MeV 94 % à 91 % 3.1 % à 3.6 % 5.2 cm 5.4 cm 5.7 cm20 MeV 96 % à 93 % 4.8 % à 5.7 % 6.0 cm 6.6 cm 7.0 cm

Énergie% de Bremstrahlung

causée par la contamination

Champ de 3 x 3 cm à 25 x 25 cm avec une DSP de 100 cm

Champ de 10 x 10 cm avec une DSP de 100 cm

Isodose 90 % Isodose 85 % Isodose 80 %% de dose à la peau

• Pour avoir équilibre électronique latéral, il faut qu’il y ait autant d ’électron qui entrent dans un élément de volume qui en sortent (ratio de 1:1)

• L’équilibre électronique est en relation avec la portée des électrons (E/2)

• Approximation: l ’équilibre électronique est rompue lorsque le champ est plus petit que E/2 x E/2

• Ex : Pénombres = zone de déséquilibre électroniqueTrès petit champ, on traite juste avec deux pénombres « collées »

4. L’équilibre électronique latéral

9 MeV, DSP = 100 cm

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

100,0%

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0

Profondeur (mm)

% d

e d

ose

3x3

5x5

25x25

4. L’équilibre électronique latéral

• Portée des électrons dans l ’eau en cm= E / 2 • Dose peau augmente avec l ’énergie • Isodose 85 % en cm= E / 3 • Bremstrahlung (contamination) = de 0.5 % à 6 %• Attention à l ’équilibre électronique (champ de E/2 x E/2)

Exercice:Il y a un cas d ’ORL avec des spinaux en électrons. On donne déjà 44 Gy en photons à la moelle (série A, B et C) et le médecin est hésitant à dépasser cette dose. Les ganglions se trouvent à 3.8 cm et la moelle se trouve à 5.7 cm. Le médecin veut donner 20 Gy avec les spinaux. Quelle énergie d ’électron choisirez-vous pour ne pas dépasser la dose moelle ?

4. Faits saillants

12 MeV avec un bolus de 5 mm, la moelle devient donc à 6.2 cm et le %RP sera de 6 % donc 44 Gy + (6% *20) = 45.2 Gy

• Plusieurs points importants : • Les pénombres augmentent avec la DSP

• Le rétrécissement des isodoses de haut niveau avec la profondeur

• Comparaison avec des isodoses de photons

4. La couverture des isodoses

4. La pénombre augmentent avec la DSP

12 MeV DSP = 100 cm 4 cm à la peau

12 MeV DSP = 110 cm4.4 cm à la peau

Malgré un champ plus grand à la peauPire pour un 9 MeV

• Comparaison photons - électrons

4. Le rétrécissement des isodoses

6 MeV, 10 x 10, CHUM

• Effet du petit champ: (perte d ’équilibre électronique)

• Plus pointue sur la figure de droite• Attention à la couverture en profondeur

4. Le rétrécissement des isodoses

6 MeV, 10 x 10 CHUM 6 MeV, diam. De 2 cm CHUM

• En raison de la diffusion des électrons, ils semblent provenir d ’une source virtuelle.

• L ’inverse carrée de la distance ne s ’applique pas

4. La DSP effective

Patient

source

cône

Source virtuelle

diffusion

Certains calculs permettent de déterminer la DSP effective• L ’inverse carrée de la distance peut s ’appliquer

• Paramètres de calculs:• Mesures à dmax (Io)• Faire plusieurs gap (Ig)• Faire le graphe de (Io/Ig)1/2

• DSP effective = (1/pente) - dmax• Règle du pouce rapide 85 cm

• Éviter les erreurs de DSP pour la dose !!!

4. La DSP effective

Énergie 2 x 2 5 x 5 10 x 10

6 MeV 27.0 75.5 87.39 MeV 42.2 79.8 88.412 MeV 59.4 82.4 87.616 MeV 68.6 81.2 88.0

DSP effective (cm)

1 cm en photon (101cm/ 100 cm)2 = erreur de 2.0%

1 cm en électron (81 cm/ 80 cm)2 = erreur de 2.5%

• Tout ce qu’on mesure est dans l ’eau (ou équivalent) et sur une géométrie cubique

• Sur le patient, ce n ’est pas toujours ces conditions– Courbure et irrégularités (paroi, nez)– Hétérogénéités (gap d’air, os, poumon)

5. Courbure et irrégularités

L ’obliquité:• La source est plus proche d ’un côté que de

l ’autre• Il faut choisir une incidence le plus

perpendiculaire à l ’axe du faisceau


Faisceau

Axe central du faisceau

Plan perpendiculaire au faisceau

Courbure de la patiente

• Bleu = % RP normal

• Dose en 1 > dose en 1,(contribution de A en 1)

• Dose en 2 = dose en 2, (il y a un point où la

contribution de la partie A ne compense plus

la perte de la partie B)

• Dose en 3 < dose en 3, (manque de diffusé prend

le dessus, la contribution de A a une portée max.)


3 3

AB1

2 21

1 2 3D

ose

Profondeur

diffusion

Manque de diffusé

• Les isodoses se rapprochent de la surface et la pénombre augmente de ce coté

• Manque de dose en profondeur


Irrégularités :

• Cas de nez• Cavité• L ’aire de surdosage

– Point le plus chaud à 135 %– Bonne superficie de 120 %

• Point froid


120 % de surdosage

Pour palier les effets des irrégularités on peut utiliser du bolus

Attention:• Dose peau • Dose en profondeur


• Pas utilisé cliniquement actuellement– Pinnacle = calcul homogène

• Il faut essayer d ’éviter les hétérogénéités car on est dans l ’incertitude

• Calcul à la main possible pour des cas simple

6. Hétérogénéités

• Poumon:– Cas de paroi et de « boost » pour les seins– Pinnacle = Calcul homogène– Prudence aux médecins


Exemples :• (Z de M ’) (Z de M) (Z de M ’) (Z de M) • Diffusion avec Z Diffusion avec Z


Pourquoi ne pas mettre un espace entre le bolus et le masque thermoplastique:

• Introduction d ’une hétérogénéité (espace d ’air)– Surface qui n’est pas plane (différents gaps)– Difficile à prédire pour la physique

• Augmentation de la diffusion• Augmentation des pénombres du champ d ’électron

– Déjà grande en raison du traitement en DSP = 105 cm– Surdosage du coté photon sera augmenté

• Dmax se rapprochera de la surface et le %RP risque de diminuer légèrement– Comme un petit champ– On traite déjà avec des champs étroits– Ex : 12 MeV idéalement 5 x 5 ou 6 x 6, souvent 3 à 4 x Y.

6. Gap d’air

Jonction électrons 12 MeV (DSP 120 cm) avec photons 4 MV

Points froids et chauds agrandissent

Avant Dmax:

• Effet de lentille

– Électron diffusé et atténué par le rebord du masque

6. Effet du masque thermoplastique

6 MeV 5 mm 14% -6%9 MeV 5 mm 11% -5%20 MeV 10 mm 6% -4%

Énergie profondeur Maximum Minimum

Patient

Faisceau d ’électron

masque

Ce sont seulementde petites zones chaudes et froides

Après Dmax:

• Il n ’y a plus d ’effet de lentille• Le masque thermoplastique agit comme un bolus d ’environ 1.5 mm au niveau du %RP

• Considérée par la physique dans les calculs de dose moelle– Dose moelle– Ganglions

Le « mieux » se serait de découper le masque – Problème de l ’effet de lentille et du bolus résolu– Conséquences : perte des marques et solidité

6. Effet du masque thermoplastique

Électrons - Photons :

• Dans les ORL– 120 % de surdosage– Point froid de 10 à 15 %

• Attention à la DSP

• Attention à l ’iso. presc.

7. Jonctions6 MV9 MeV

120 %

SSD = 120 cm

SSD = 100 cm

Électrons - Électrons:• Dans les cas de paroi

– Peut aller à 60 % de surdosage avec gap =0– Point froid de l ’ordre de 40 %

Gap,point froid et surdosage dépend: – Énergie – DSP– Grand. de Champ

7. Jonctions Aucun gap

Grand gap

Petit gap

• Les « BOOST » en électron

• Les spinaux pour l ’ORL

• Le reste– Inguinaux– Tempe– Paroi– ETC...

8. Cas traités au CSSSC

Les « BOOST » en électron :• Couverture de la tumeur (Profondeur et marges (MD))• Attention à la dose aux poumons (énergie et %RP)

• En simulation: choisir une incidence au faisceau– Cas d ’empreinte (déplacement des points chauds)

• Utilisation de bolus (attention à la dose peau)

Les spinaux pour l ’ORL :• Couverture de la tumeur (Prof, marges, (MD), et E/3)• Attention à la dose moelle (Brem, E/2, entre 1% et 7 %)• Attention au surdosage du côté photon et aux points froids

du coté des électrons

8. Exemple

Étalonnage des appareils:L’accélérateur est programmé pour donner un 1 cGy par

unité moniteur dans les conditions suivantes:

• DSP de 100 cm• Champ de 10 x 10 cm2

• Profondeur de dmax*– 6 MeV = 1.3 cm– 9 MeV = 2.0 cm – 12 MeV = 1.3 cm– 16 MeV = 3.4 cm* = 3.9 cm

– 20 MeV = 2.5 cm* = 4.9 cm

100 UM = 100 cGy

9. Étalonnage des accélérateurs et UM

DSP = 100 cm

10 x 10

Dmax

Étalonnage des appareils:L’accélérateur est programmé pour donner un 1 cGy par

unité moniteur dans les conditions suivantes:

• DSP de 100 cm• Champ de 10 x 10 cm2

• Profondeur de dmax*– 6 MeV = 1.3 cm– 9 MeV = 2.0 cm – 12 MeV = 1.3 cm– 16 MeV = 3.4 cm* = 3.9 cm– 20 MeV = 2.5 cm* = 4.9 cm

100 UM = 100 cGy


DSP = 100 cm

Dmax

10 x 10

Étalonnage des appareils:

• On suit le TG-51:– Protocole spécial fait par plusieurs physiciens (AAPM)– Plusieurs facteurs de correction– Chambre Markus avec une « calibration croisée» avec

chambre Farmer étalonnée au CNRC

• On le fait environ deux fois par année

• Le Double Check le matin vérifie l ’étalonnage et

les profils


Étalonnage des appareils:

Dose (dmax) = Mesures * ND,W * Fcorr / %dd(dref)

Fcorr = Pion * Ppol * k'R50 * kecal * (S/)MuscleEau


cGy Électromètre (nC) TG - 51 %RP pour dmaxFacteur cGy/nC

100 UM = 100 cGy

Tolérance de 2%

98 à 102 cGy

9. Calcul des UM et étalonnage des linacs

Calcul des unités moniteurs :

UM = Dose par fraction

(Kcal)*(Iso. de presc.)*(FTot)


Kcal : Étalonnage de l ’appareil (1 cGy/UM)

Iso. de presc. : Médecin (%RP, P3 et couverture)

Normalisé par rapport à un champ de 10 x10 cm2

avec une DSP de 100 cm et un cône de 10 x 10 à dmax Ftot :

9 MeV DSP = 100, cône 10, 10 x 10, Ftot = 1.0009 MeV DSP = 105, cône 10, 10 x 10, Ftot = 0.8989 MeV DSP = 100, cône 10, 5 x 5 , Ftot = 0.986

On mesure les cas d’électron:

• Cas d ’empreinte (Surface courbe)• Grandeur de champ non mesuré pour une énergie• Grand cône• DSP non mesurée

Lorsqu’on mesure un électron aux accélérateurs, on mesure tout en même temps


Pour bien planifier :• Sans P3 Planification sur %RP

– R85% (cm d ’eau) = E/3– Portée maximale (cm d ’eau) = E/2– Attention à la rentrée des isodoses en profondeur– Attention à l ’équilibre électronique (petits champs)– Marges de 1 cm autour du PTV

• Incidence du faisceau ou bolus– Se rapprocher le plus près possible d ’un cube d ’eau

• Calcul de dose– Éviter les erreurs (DSP, énergie, grandeur de champ)

• DIFFUSION !!!

10. Conclusion

• Hugo Tremblay, physicien au CSSSC

• Robert Doucet, physicien au CHUM

• Références : • Khan, Faiz M., The physics of Radiation Therapy

Remerciements

Documents

Les électrons