radiobio061-33

__ Facult de Mdecine de LILLE _____________________ Effets biologiques des rayonnements __

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BIOPHYSIQUE DES RAYONNEMENTS

Leffet des rayonnements ionisants sur la matire vivante est souvent peru comme uneffet dltre conduisant la radiopathologie. Des esprits mieux intentionns voient, dans ltudescientifique de linteraction matire - rayonnement, une possibilit de comprendre correctementde nombreux et complexes faits exprimentaux, cest la radiobiologie.

Les scientifiques ou mdecins spcialiss retirent de ces tudes un ensemble cohrent deconnaissances orient vers la radioprotection.

La radioprotection est issue du dsir dviter une pathologie induite par lesrayonnements sur une population malade ou en bonne sant, mais aussi sur la descendance de cespopulations.

Les applications de la radioactivit, singulirement les applications industrielles, ontgnrs des craintes parfois draisonnables. La pathologie induite par les applications mdicales aimpos aux autorits la mise en place de normes de radioprotection ds 1928 (CIPR).

Il faut avoir conscience que lirradiation industrielle ainsi que celle rsultante des essaisnuclaires atmosphriques militaires est quantitativement trs faible par rapport lirradiationmdicale. Les applications mdicales, dont limagerie, sont de loin les plus irradiantes.

En France, 85000 nouveaux malades cancreux sont traits chaque anne par desrayonnements, cest la radiothrapie. Leffet nest plus dltre, au contraire cest un effetbnfique pour le malade. Comme toujours en mdecine, il faut valuer le rapport cot / bnficeet se poser la question du risque pour le patient.

Mme si les risques ventuels dun traitement sont trs difficiles mettre en vidence,seule la connaissance raisonne des phnomnes doit aider le mdecin et le patient accepter ou refuser ce risque.

Labsence de certitude scientifique ne doit pas conduire une ccit thique, etlapplication raisonnable du principe de prcaution doit guider le comportement mdical.

Tout rayonnement, ondulatoire ou particulaire, prsente des effets biologiques, utiles ounuisibles la vie.

Bien que nous insisterons essentiellement sur les effets biologiques et sanitaires desrayonnements ionisants, en raison de leur grande importance pratique, nous aborderons les effetsbiologiques des rayonnements non ionisants, lectromagntiques et ultrasoniques.

On remarquera les analogies entre effets prcoces ou tardifs, dterministes oustochastiques.


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RAPPELS DE PHYSIQUEI Interaction rayonnement - matireII Rayonnements non - ionisantsIII Rayonnements ionisantsIV Absorption dnergie : notion de dose

I INTERACTION RAYONNEMENT - MATIERE

Dans la nature existent deux concepts physiques lis lnergie :

- londe- le corpuscule

Les rayonnements apparaissent donc ondulatoires ou particulaires selon les conditionsdexprience ou de mesure.

On sait que depuis 1924 (cration de la mcanique ondulatoire par Louis De Broglie),que les deux notions sont lies par la dualit onde - corpuscule : une quantit transfrablednergie peut se prsenter sous forme particulaire ou ondulatoire selon lexprience mise enuvre.

La matire vivante (virus, cellule, tissu ou animal) est compose datomes structurs enmolcules. Soumise une irradiation par des rayonnements ionisants ou non ionisants cettematire reoit de lnergie, avec ou sans transfert de matire.

Le site daction des rayonnements ionisants est essentiellement latome, le plus souventles lectrons atomiques, alors que les rayonnements non ionisants agissent au niveau des nergiesmolculaires.

Le transfert dnergie pour les radiations ionisantes est bien connu, par exemple pourexpliquer les bases physiques de limagerie par attnuation.

Les rayonnements non ionisants transmettent aussi de lnergie distance. Limageriepar rsonance magntique nuclaire est base sur le transfert de photons trs peu nergtiques(domaine des ondes radiophoniques) pour inverser une population de spins nuclaires.

Les ultrasons dposent de lnergie dorigine mcanique dans les tissus vivants, nergiequi apparat sous forme thermique, ou de phnomnes de cavitation par exemple.

Les effets sont trs diffrents non seulement du point de vue purement physique, maissurtout dans leur modlisation mathmatique.

Cependant, les effets biologiques, ncessaire, utiles, ou pathologiques qui dcoulent dutransfert nergtique prsentent de nombreuses similitudes.


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les rayonnements ionisants, comme non ionisants peuvent avoir des effets dltres,nuisibles la sant, ou au contraire utiles et mme ncessaires la vie.

Si leffet bnfique des rayonnements ionisants connu sous le terme dhormsis estdiscutable, leffet nuisible des fortes doses est patent.

Laction utile ou dltre des rayonnements non ionisants, ceux du soleil de manireexemplaire, sur la notion mme de vie est indiscutable.

Exemples deffets utiles:

- photosynthse : toute lnergie des processus vivants est issue de laphotosynthse. Lnergie ondulatoire dorigine photonique est transforme en nergie cellulairepar lintermdiaire de la synthse glucidique.

- synthse de la vitamine D : la photosynthse de la vitamine D active, parhydroxylation hpatique et rnale dpend dun substrat, le 7-dhydrocholestrol, lui mme issude molcules stroliques modifies sous linfluence du rayonnement solaire.

Exemples deffets dltres :

- Le banal coup de soleil est un effet prcoce, directement li lintensitde lexposition au rayonnement. On dcrira ce genre deffet sous le vocable de dterministe.

- Le mlanome, ou nvo-carcinome, est une tumeur maligne de la peau. Cecancer agressif est directement li une exposition excessive au soleil, particulirement pendantlenfance. Des facteurs gntiques sont surajouts. Il sagit dun exemple deffet tardif, parfoisplusieurs dizaines dannes aprs lexposition, de type alatoire appel aussi effet stochastique.

Ces exemples illustrent la complexit de linteraction entre rayonnement et milieubiologique. Selon lintensit et la nature du rayonnement, labsorption dnergie peut se faire auniveau du noyau dun atome composant la molcule, au niveau dun de ses lectrons ou plusglobalement par transfert dnergie de translation, de vibration ou de rotation molculaire.

En imagerie mdicale, seules les ondes lectromagntiques ionisantes (radiologie,mdecine nuclaire ...) et les ondes hertziennes (imagerie par rsonance magntique nuclaire)ont t abordes.


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Le spectre lectromagntique complet, tudi en photobiologie et en radiobiologie estschmatis ci-dessous.

ionisantes non ionisantes

E

100 nm

visibleultra-violet

12,4 eV

400 nm 800 nm

infrarougemicro-ondes ondes

hertziennes

1 mm1000 mm

3 km1 m1000 m0,8 m

3000 m

3,1 eV 1,6 eV 1,24 meV 1,24 eV 1,24 neV

rayons X ou gamma

Des hautes nergies vers les faibles, on dcrit les rayonnements ionisants, lesultraviolets, la lumire visible, les infrarouges (de 800 nm 1 mm), les micro-ondes (de 1 mm 1m) puis les radiofrquences (1 m 3 km).

II LES RAYONNEMENTS NON IONISANTS

Faute dun terme collectif plus satisfaisant, on regroupe sous le terme de rayonnementsnon-ionisants lensemble des phnomnes ondulatoires dont lnergie est insuffisante poursupprimer une liaison dun lectron son noyau atomique.

Il peut sagir de rayonnement de type lectromagntique, de faible nergie ( infrieure 12,4 eV), comprenant les ultraviolets, le visible et linfrarouge, y compris une missionparticulire, le LASER, ainsi que dautres ondes dimportance mdicale, comme les ultrasons.

Les nergies de transition mises en uvres sont plus faibles que pour les nergies deliaison lectroniques.


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II - 1 ) Ondes lectromagntiques

On peut illustrer cette absorption dnergie par une analogie entre le modle atomique deBOHR pour latome dhydrogne, et un modle molculaire trs simple, le modle diatomique.

- nergie de liaison lectron-noyau

( environ - 13,6 eV)

Domaine des rayonnements ionisants.

L K

- nergie de translation( environ - 1 eV)

Domaine du visible ou de linfrarouge proche.

- nergie de vibration

( environ - 0,1 eV)Domaine du rayonnement infrarouge.

- nergie de rotation( environ - 10 - 3 eV)

Domaine du rayonnement infrarouge lointain.

E rE t

E v

Comme dans le cas de labsorption ou de lmission dun photon lors de transitionslectroniques, par exemple entre la couche K et la couche L , un change dnergie est possibleau niveau molculaire par variation nergtique discrte, cest dire quantifie.

Un photon dnergie bien dfinie E = h en rsonance avec la liaison peut trechang, quil sagisse dune nergie lectronique, ici molculaire et non plus atomique, dunenergie de translation, de vibration ou de rotation.

Pour une molcule biologique, que lon admet au repos, la rpartition de lnergieparatra continue. On parle alors de spectre de bande, bien quil sagisse dune multitudes de raiesisoles, trs rapproches.

Lnergie quantifie dmission ou dabsorption sera la somme des nergieslectronique, de vibration et de rotation.

E mol. = E + E v + E r( rem. : E t = 0 au repos ; E >> E v >> E r )

Toutes ces nergie ne sont nulles qu la temprature du zro absolu.( 0 K , ou - 273,15 C)


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Les rsultats dduits du modle diatomique, ou polyatomique linaire sont rsums ci-dessous.

03

2

1

0

12

r0 r1 r

v

r

E mol.

E mol. = nergie potentielle de lamolcule

r = distance interatomique.

Pour r proche de 0 , il y arpulsion des deux atomes, lnergiepotentielle est positive, il ny a pas deliaison. Pour r suffisamment grand, lesatomes ninteragissent pas, il ny a pasde structure molculaire.

r 0 et r 1 = distancesinteratomiques correspondant des tatlectroniques stables.

, v , r sont les nergies detransition lectronique, de vibration et derotation.

II - 2 ) Ondes mcaniques

Les bases physiques ainsi que les proprits biophysiques des ultrasons (ondesmcaniques) sont traits en imagerie mdicale. (cf. Imagerie Mdicale p.78).

Le transfert nergtique dpend de vibrations molculaires propages de proche enproche dans un milieu matriel, modifiant lnergie de translation.

Il peut ainsi apparatre des variations microscopiques de ltat thermodynamique de lamatire irradie. Le phnomne le plus connu est celui de la cavitation, qui par cration demicrobulles de gaz des pressions suprieures des centaines ou des milliers datmosphresaboutit des lsions molculaires, cellulaires ou tissulaire.

La modification de ltat nergtique cintique dune molcule dintrt biologique peutaboutir des effets macroscopiques prcoces ou tardifs.

Par exemple, il a t dmontr que la rupture dune molcule dADN est possible autourde son centre par irradiation dune solution par des ultrasons de basse frquence, mais aussi pardes ultrasons de frquence du domaine de limagerie mdicale.

Des effets gntiques des ultrasons paraissent ainsi possibles.


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Ils nont cependant jamais t mis en vidence du fait de leur raret thorique, maisaussi des trs efficaces mcanismes de rparation molculaire ou cellulaire, particulirement pourles molcules dADN.

III LES RAYONNEMENTS IONISANTS

En pratique, il sagit des rayons X ou gamma, mais aussi de certains rayonnementsparticulaires, essentiellement les lectrons. On verra dailleurs que la quasi-totalit du dptdnergie contribuant la dose absorbe provient de lnergie cintique des lectrons.

III - 1) Exposition aux rayonnements ionisants

Il convient de distinguer en radiobiologie deux classes de rayonnements :

- les particules possdant une charge lectrique (lectrons, protons, particulesalpha, ions...) : rayonnements directement ionisants.

- les particules neutres comme les neutrons, les photons, les rayons X ou :rayonnements indirectement ionisants.

On rappelle (cf. Imagerie Mdicale p.8) quun rayonnement ionisant est capabledarracher un lectron un atome, il faut que lnergie soit pratiquement suprieure 10 eV.

Cet effet atomique est suivi dune cascade de phnomnes chimiques, molculaires etbiologiques.

La raction biologique amplifie de manire considrable leffet physique du transfertinitial dnergie.

La source dirradiation est lintrieur ou lextrieur de lorganisme.

La matire vivante peut tre soumise une irradiation externe ou exposition externeessentiellement par des rayons X ou , mais aussi par des rayonnements neutroniques ouprotoniques.

Lexposition interne ou contamination survient aprs lassimilation par un organe, doncpar une cellule, dun lment radioactif. Les radiolments peuvent mettre de nombreusesparticules : X , , , neutrons, protons, , fragments ioniques, etc.

Chaque particule interagit en fonction de sa nature et de son nergie, ce qui rend lestudes dabsorption dnergie aussi complexes que spcialises.

On verra que les effets biologiques des rayonnements ionisants sont toujours issus dutransfert de lnergie cintique dlectrons primaires ou secondaires aux molcules dintrtbiologique, particulirement protines, ADN ou acides gras.


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III - 2) Rayonnements directement ionisants

Les particules charges, lectrons, protons, particules ... sont directement ionisantes.Par interaction coulombienne, ces particules munies dune grande nergie cintique, perdent leurnergie dans le milieu biologique en jectant directement des lectrons, eux mmesecondairement ionisants.

En pratique on distingue les particules selon leur masse : particules charges lourdes ouparticules charges lgres.

- particules charges lgres : lectrons, rayonnements - et +, lectrons deconversion interne, lectrons Auger ...Toutes ces particules ne diffrent que de par leur mode deproduction et sont de nature fondamentalement identique.

Le terme gnrique dlectron sera appliqu ces particules.- particules charges lourdes : protons, particules , ions lourds, rsidus de

fission nuclaire...Le comportement dans la matire de ces entits est soumis aux mmes lois queles particules charges lgres, cependant leffet de la masse intervient, ce qui a lavantage desimplifier ltude mathmatique et physique.

Pour un rayonnement particulaire, unflux de particules traversant une rgion delespace est caractris par une grandeur : lafluence particulaire.

Cest le nombre des particules quitraversent le disque de surface S , issu dela sphre lmentaire.

(section droite de la sphre)

Lunit sexprime en nombre departicules par mtre carr :

=NS

Le dbit de fluence est le nombre departicules par mtre carr et par seconde. Ilexiste dautres units drives, comme lafluence nergtique qui sexprime en Watts,ou en MeV par seconde.

S

La grandeur caractristique du rayonnement particulaire, la fluence, estfacilement mesurable laide de dtecteurs adapts.

Linterprtation physique de la surface S correspond en pratique la sectionefficace thorique et peut tre gnralis de nombreux phnomnes, physiques ou biologiques.


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III - 2 - 1 ) Particules charges lgres (lectrons)

Eu gard leur grande importance pratique, on tudiera de faon assez exhaustivelinteraction de ces particules.

Les lectrons qui pntrent dans la matire vivante possdent une vitesse, cest direune nergie cintique par essence transfrable par des chocs.

Lors de chaque interaction ponctuelle avec les atomes du milieu, lnergie cintiquediminue de manire discontinue. La diminution de lnergie cintique est directement lie ladiminution de la vitesse de llectron le long de la trajectoire : cest le phnomne deralentissement.

Le ralentissement ne se rduit pas au transfert dnergie cintique des lectronsatomiques du milieu.

Les lectrons sont aussi en tat dinteragir avec le champ du noyau de latome, etproduire un rayonnement de freinage (cf. Imagerie Mdicale p. 14 ).

Le rayonnement de freinage, fondamental en imagerie, car la base de la production des rayonsX , est secondaire sinon compltement ngligeable pour le ralentissement des lectrons par les

milieux biologiques.

De faon encore plus exceptionnelle dans le domaine nergtique mdical, les particulespeuvent agir directement sur le noyau atomique par phnomne de capture. Des noyaux instablesradioactifs sont alors crs, ou alors on observe la rupture du noyau en ions lourds : cest lafission provoque.

Aprs avoir prcis le concept dnergie cintique, on dtaillera les collisionslectroniques, phnomne fondamental de la radiobiologie.

III - 2 - 1 - i ) lnergie cintique

La thorie de la relativit (Einstein 1905) permet de prvoir un comportement diffrentdes particules en fonction de leur vitesse, la masse de la particule tendant vers linfini lorsque lavitesse tend vers la clrit de la lumire. En fonction de lnergie, llectron sera trait commeune particule classique, ou bien relativiste.

En mcanique classique, lnergie cintique dpend du carr de la vitesse :

E cin. =12 m v

2

m est la masse qui est constante, v est la vitesse lie lnergie.


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En mcanique relativiste, la masse nest plus constante, lnergie cintique est exprimepar la relation :

E cin. = ( m m 0 ) c 2

(et non pas E = m c 2 , quation souvent expose, mais qui ne signifie pas grand chose)

= m 0 c 21

1 v2

c 2 1

m0 = 0,511 MeV / c 2 = 9,11 10 - 31 kg.

(m - m 0) / m 0

v/c

On en dduit aisment le rapport entrelnergie cintique et lnergie au repos :

m m 0m 0

=1

1 v2

c 2 1

= E cin.E rep.

Le domaine dnergie lectronique exploit en mdecine est de lordre de quelques keV quelques MeV.

Pour fixer les ides, admettons les limites arbitraires de 20 keV et de 20 MeV.

E cin. 0, 02 , 20[ ] MeV

Lnergie de 20 keV est lordre de grandeur des lectrons acclrs produisant lesrayons X mous, en gnral supprims par filtration en imagerie. Lnergie de 20 MeV estatteinte dans les acclrateurs dlectrons employs en radiothrapie cancreuse (canons lectrons).

Sil est vident que les lectrons de haute nergie, pour fixer les ides, suprieure auMeV doivent tre modliss partir de la thorie relativiste, il convient de prciser cette notionen exprimant la relation liant la vitesse et lnergie cintique exprime en MeV.


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De E cin. = m0 c 21

1 v2

c 2 1

, on dduit aisment

m 0 c 2E cin. + m 0 c 2

2

= 1 v2

c 2 , d' o

vc = 1

m 0 c 2E cin. + m0 c 2

Il reste valuer lvolution de la vitesse relative de llectron par rapport celle de lalumire, en fonction de lnergie exprim en MeV, soit la relation v/c = f ( MeV)

Une analyse graphique reprequelques valeurs significatives :

10 keV -> 0,01 MeV -> 0,14 0,02 -> 0,19 0,05 -> 0,30100 keV -> 0,1 -> 0,40 0,5 -> 0,70 1 MeV -> 0,81 5 -> 0,98 10 -> 0,98 15 -> 0,98 20 -> 0,98

Ceci suggre que jusqu 200 keV, les lectrons peuvent tre considrs comme nonrelativistes. Ds 0,5 MeV, la thorie relativiste doit sappliquer afin dadapter la thorie auxrsultats exprimentaux. On admettra de faon arbitraire, que les lectrons dnergie infrieure 0,5 MeV sont non relativistes. Bien entendu on accepte une erreur qui sera value ci-dessous.

Lexpos de ces notions na pas dautre but que de faire comprendre la difficultthorique de la dosimtrie et le caractre illusoire de dfinir des doses avec prcision.

La mcanique classique est une approximation de la mcanique relativiste pour desvitesses faibles par rapport la clrit de la lumire. Aux faibles vitesses, on retrouve aismentla formulation classique de lnergie cintique partir de lexpression gnrale de la mcaniquerelativiste.


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Ecin. = ( m m0 ) c2

= m0 c2 (1

1 v2

c2 1 ), pour v


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Les principes fondamentaux de la conservation de lnergie du systme et de laconservation de limpulsion se mettent aisment en quation. Le choc est suppos frontal, ce quicorrespond au transfert maximal dnergie. Toutes les vitesses sont orientes sur laxe de laparticule incidente. Les calculs se rduisent ceux de lamplitude des vecteurs.

v = v 0

v = v 1 v = v 2m 1 m 2

m 1 m 2

v = 0avant le choc

aprs le choc

conservation de limpulsion :

m 1 v 0 = m 1 v 1 + m 2 v 2conservation de lnergie cintique :

12 m1 v0

2 =12 m1 v1

2 +12 m2 v2

2

Le problme physique pos, dans le cas gnral de deux particules de masse diffrentes,se rduit la rsolution dun systme de deux quations deux inconnues, v1 et v2 sont rechercher en fonction de v0 .

En posant = m2m1les deux principes de conservation se rsument :

v0 = v1 + v2 et 2 v1 = ( 1 ) v2 , d' o la solution( il suffit d' exp rimer v1 en fonction de v0 et de v2 )

v1 = v01 1 + et v2 = v0

21 +

On en dduit facilement la valeur des nergies cintiques en fonction de lnergiecintique de la particule incidente :

E0 = 12 m1 v02 , E1 = 12 m1 v1

2 et E2 = 12 m2 v22

il vient E1 = E01 1 +

2

= E0(m1 m2 ) 2(m1 + m2 ) 2

et E2 = E0 4 (1 + )2 = E04 m1 m2

(m1 + m2 ) 2

Nous tudions le ralentissement dlectrons par dautres lectrons, les masses desparticules en interaction sont bien entendu identiques, puisque lon a suppos tre dans le casclassique, la correction relativiste tant ngligeable en premire intention.


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Dans le cas o m 1 = m 2 = m e , m e tant la masse de llectron au repos. ( 0,511MeV / c 2, ou 9,1 10 - 31 kg ), la thorie classique, purement particulaire est fausse.

En effet pour = meme= 1 , v1 = 0 et v2 = v0 .

La totalit de lnergie serait transfre de llectron incident llectron atomique.

En ralit, il est impossible de distinguer la particule incidente de la particule heurte,sauf si lon admet que la particule incidente possde lnergie la plus leve, aprs linteraction,ce qui est raisonnable dans les conditions biologiques.

Alors, le transfert dnergie varie de 0 Ecin.2 . La collision est une interaction

coulombienne courte distance F = 14 0e 2r 2 , r est la distance entre le llectron incident,

e inc. et llectron atomique, e atom.. , e est la charge de llectron.

inc.e

atom.e

vnement

Pour les hautes nergies (> 0,5MeV ), la particule est peu dvie desa trajectoire initiale.

Les transferts nergtiquessont rares.

inc.eatom.evnement

Pour les faibles nergies,environ 100 keV, cest dire en finde trajectoire, les dviations sontbeaucoup plus importantes, lesvnements beaucoup plusfrquents.

1 Mev 0,5 Mev 100 kev

En ce qui concerne les particules charges lgres, type lectron, lpaisseur depntration est importante, le trajet est chaotique, mais il existe un parcours moyen orient par levecteur reprsentant lnergie cintique de llectron incident.


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Pour les tissus mous, ou pour leau, ainsi que pour les nergies habituelles, cest direinfrieures 10 MeV, le parcours moyen de ces lectrons est de lordre de 0,5 cm/MeV (5mm/MeV).

Le transfert dnergie associe, plus exactement le transfert dnergie linique est :T.E.L. = E

x =1000 keV5000 m = 0,2 keV.m

1 . En fin de parcours, le densit dionisation estbeaucoup plus grande et correspond un T.E.L. de lordre de 2 keV par micromtre.

On voit de faon paradoxale quun rayonnement nergtique peut tre moins irradiantquun rayonnement initialement plus nergtique.

Pour fixer les ides, le rayonnement de lIode 131, dnergie moyenne de 190 keVparcourt environ 1 mm dans la matire.

Ces remarques montrent que les particules charges lgres peuvent tre dangereusesaussi bien en lexposition externe quen exposition interne. Mais ces proprits sont aussiutilises en thrapeutique, en radiothrapie mtabolique, ou en radiothrapie externe pour traitercertaines pathologies.

III - 2 - 1 - iii ) Rayonnement de freinage

Il sagit dun type dinteraction fondamental entre les lectrons et les lments lourds.Cette interaction est le mcanisme primordial de la production des rayons X .(cf. ImagerieMdicale p. 14 - 18).

inc.e

noyau de l'atome

Z e + -e

mission photonique

trajectoire initiale

En utilisant lesnotationsprcdentes, la forcedinteractioncoulombienne scrit:

F = 14 0Z e 2r 2

Le principe fondamental de la conservation de lnergie scrit ici :

h = Ecin. ( incidente) Ecin. (dvie)

La perte dnergie par ce mcanisme dpend de Z et on rappelle que plus de 95% dela matire vivante est compose datomes lgers : 1 H ; 6 C ; 7 N ; 8 O , alors que laproduction de rayons X intgrait lutilisation danode en tungstne dont le numro atomique est74 (74 W).


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Ce mode de ralentissement lectronique est thoriquement envisageable, cependant onpeut le considrer comme ngligeable pour les milieux biologiques qui sont au centre de nosintrts.

III - 2 - 2 ) Particules charges lourdes

Les particules charges lourdes proviennent de la dsintgration de radiolments ou desacclrateurs de particules (recherche, industrie ou mdecine).

Les principales sont les protons, H + ou (p), les deutons, 12 H + ou (d), les noyauxdhlium, 24 H+ + ou () et les ions lourds, produits de fission comme par exemple lion carbone,612 C 6+ .

Lnergie cintique est proportionnelle la masse, du moins en mcanique classique,donc pour des particules suffisamment ralenties pour transfrer une grande quantit dnergie.Lors de leur cration, ces particules sont mononergtiques, leur spectre est un spectre de raie.

Pour les particules lourdes charges, linteraction se fera avec les noyaux atomiques, oubien avec les lectrons priphriques.

III - 2 - 2 - i ) Interactions lectroniques

Le ralentissement provient dexcitations ou dionisations des atomes du milieu. LeT.E.L. dpend de la charge et de lnergie de la particule incidente, ainsi que de la densitdlectrons du milieu irradi :

T.E.L. = Ex = K

z2v2 . d . Z

z2v2 dpend de la charge et de

lnergie de la particuled . Z , produit de la densit et du

numro atomique du milieu irradi, estproportionnel au nombre dlectrons.

Lors du ralentissement, z peut varier (capture dlectrons) et v diminue par dfinition,ce qui augmente la dure de linteraction coulombienne. De ce fait, en fin de parcours, la densitdionisations augmente rapidement, le dpt dnergie saccrot brutalement.

nergiedpose

distance

ionisations par mm

distance(mm)

parcours

Les courbes de BRAGGexplicitent ces rsultats exprimentaux,reprsents par le schma dun clichobtenu dans une chambre bulles, oudans une chambre brouillard.


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explicitent ces rsultats exprimentaux,reprsents par le schma dun clichobtenu dans une chambre bulles, oudans une chambre brouillard.

La densit dionisations estimportante, la trajectoire est courte etrectiligne, le parcours est faible.

Les particules mise par le polonium ( 21084 Po ) ont une nergie de 5.3 MeV. Ce sontces rayonnements qui ont permis par expriences de diffusion de dcrire le modle plantaire delatome (Rutherford 1911) et de dcouvrir la radioactivit artificielle ( Irne et Frdric Joliot-Curie 1934).

Dans lair ou dans leau, le rayonnement est arrt aprs avoir produit environ 160000ionisations, lors dun parcours videmment fonction du matriau irradi.

matriau TEL parcours

air 0,14 keV / m 39 mmeau 130 keV / m 50 m

aluminium 240 keV/ m 22 m

Lors dune exposition externe, ces rayonnements sont arrts par une simple feuille depapier, mais ils sont videmment dangereux sils sont mis lintrieur de lorganisme, dans lecas dune exposition interne.

III - 2 - 2 - ii ) Interactions nuclaires

Les particules lourdes charges peuvent tre captes par le noyau des atomes, rendantces derniers instables, ou provoquent une fission dans certains cas.

Ces phnomnes de capture nuclaire existent, mais sont ngligeables en radiobiologieet en mdecine.

Pour les particules charges, linteraction coulombienne est prdominante. Ce nest pasle cas des particules non charges qui sont indirectement ionisantes.

III - 3 ) Rayonnements indirectement ionisants

Les neutrons et les photons ( X ou ), dpourvus de charge lectrique, ne peuventinteragir par effet coulombien. Lors des collisions, lnergie est transfre aux lectrons ou aunoyaux du milieu.

Lexprience montre que des protons (noyau dhydrogne), ou des lectrons (lectronspriphriques de latome) sont jects lors de ce transfert nergtique. Ces particules chargesmunies dune nergie cintique sont ionisantes, mais de faon secondaire.

Cest pourquoi les neutrons et les photons sont qualifis de secondairement ionisants.


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III - 3 - 1 ) Rayonnement neutronique

Les neutrons prsentent peu dintrt en radiothrapie, sauf dans le domaine de larecherche. Par contre ces particules posent de nombreux et difficiles problmes deradioprotection (centre de production dlectricit nuclaire, bombe thermonuclaire neutrons).

Des expriences portant sur les rayons pntrants ne pouvaient tre interprtes parinteraction photonique. En 1932, le physicien anglais CHADWICK mit lhypothse dunrayonnement neutre, ou neutron, capable de provoquer le mouvement des noyaux lgers. Depuis,on sait que les neutrons sont des nuclons, composant des noyaux atomiques.

proton

neutron

r (fermi)

distibutionde charge

Le neutron est globalementlectriquement neutre, contrairement auproton de charge +1.

Sa masse au repos est lgrementsuprieure celle du proton (1,675contre 1,673 10 - 27 kg).

Lquivalent nergtique est de939,57 MeV, comparer 0,511 MeVpour celui de llectron.

Dans les milieux biologiques, les neutrons sont essentiellement ralentis par descollisions lastiques avec des noyaux lgers, principalement avec les protons, donc les noyauxdhydrogne. Ces noyaux sont videmment constitutifs des molcules deau des lorganismesvivants (65 % en masse pour ladulte jeune).

La modalit dinteraction dpend de lnergie cintique initiale des neutrons, qui sont demanire gnrale mis lors de dsintgrations radioactives.

nergie interactionneutronsrapides > 1 MeV diffusion lastique

neutronspithermiques 1 eV 20 keV diffusion

inlastiqueet capture radiative

neutronsthermiques

(lents)< 1 eV

(0,025 eV 20 C)capture nuclaire


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En fin de compte, lnergie sera transmise des lectrons secondaires, directementionisants, qui seront responsables des effets biologiques.

III - 3 - 1 - i ) Diffusion lastique

Dans la matire, les neutrons rapides ne peuvent interagir quavec les noyaux des atomesconstituants le milieu. De chaque choc rsultent une modification de la trajectoire et unediminution dnergie de la particule incidente.

n noyau

n

i

s Ce phnomne est la diffusion.Lorsque la perte dnergie se rsume une perte dnergie cintique, ladiffusion est dite lastique.

Ecin. (n. secondaire) < Ecin. (n. incident )

Cest leffet le plus important pour le ralentissement neutronique dans les tissus vivants.Exprimentalement, la moyenne du transfert nergtique des collisions est Ecin. (n i )2 , lesextremums tant 0 et Ecin. (n i ) .

Le transfert maximal seffectue lorsdun choc frontal, si le neutron interagit avecun noyau dhydrogne (proton). n noyaui

Lanalyse physique en mcanique classique permet de prvoir thoriquement cesphnomnes. En reprenant les calculs de la page 12, et en notant m n la masse du neutron, mnoy.celle du noyau cible et A le nombre de masse de latome, les nergies transfres en fonction deE0 , nergie du neutron incident scrivent :

En = E0mn mnoy.( )2mn + mnoy.( )2

E0 .1 A( )21 + A( )2 et

Enoy. = E04 mn . mnoy.mn + mnoy.( )2

E0 . 4 . A1 + A( )2

Pour A = 1, donc pour le noyaulhydrogne, lnergie du neutron estnulle aprs interaction, toute son nergiecintique est transfre, Enoy. = E0.

Le neutron rapide se transforme enun neutron thermique lors dun seulchoc.


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lments =mnoy.mn

A nergie du neutron (aprs collision)nergie du noyau(aprs collision)

11 H 1 0,0 % 100 %

612 C 12 71,6 % 28,4 %

816 O 16 77,9 % 22,1 %

2040 Ca 40 90,5 % 9,5 %

82207 Pb 207 98,1 % 1,9 %

Ces quelques valeurs numriques reprsentatives du milieu biologique et dun solideutilis en radioprotection montrent quils est illusoire de se protger contre un rayonnementneutronique par du plomb. Leau, ou le bton (eau et granulats lis par un ciment) sont nettementplus efficaces.

III - 3 - 1 - ii ) Diffusion inlastique

Lorsque le neutron est ralenti, il devient pithermique (cf. tableau au bas de la page 16).Le transfert est toujours d lnergie cintique, mais une partie de lnergie incidente est captepar le noyau dont le nombre de masse passe de A A +1 .

Ce dernier noyau, alors en excs de neutrons est instable, il se dsintgre par diffrentsprocessus. le plus souvent un rayon dsexcite le noyau, mais il peut y avoir dautres ractions,comme une mission protonique, une mission ou un phnomne de fission.

III - 3 - 1 - iii ) Capture nuclaire

La faible vitesse de neutrons thermiques augmente leur probabilit dtre capt par unnoyau atomique, puisque le neutrons sont insensibles linteraction coulombienne et ainsiignorent la barrire de potentiel atomique.

Par exemple, un neutron de 2 MeV, aprs avoir subi 18 collisions dans leau, ou 110collisions dans le graphite (lordre de grandeur du parcours moyen entre deux collisions est lecm), le neutron a une nergie infrieure 1 eV. La capture par les noyaux est alors le mcanismequi prdomine.

La capture neutronique dpend du type de noyau, cest un mcanisme important quipermet danalyser les noyaux radioactifs crs aprs irradiation neutronique, par exemple par lamesure du sodium 24. Ce phnomne permet danalyser le contenu en lments de la matirevivante, ou non : cest lanalyse par activation.


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Il permet enfin de fabriquer de nombreux radiolments (exemples dans le tableau ci-dessous).

n Z , Atherm.

Z , A + 1

Z , A + 1

*

Z , A + 1

Z , A - n

p, n, , ...

23 He (n , p ) 13 H ou36 Li ( n , ) 13 H

pour la fabrication du tritium.

714 N ( n , p ) 614 C

raction dans la haute atmosphreproduisant le carbone 14 employdepuis 1940 en datation archologique.

III - 3 - 2 ) Rayonnement photonique

Les rayonnements X ou gamma dont la charge lectrique est nulle (rayonnementlectromagntique) ne sont pas directement ionisants.

Ce sont des rayonnements trs pntrants qui interagissent essentiellement par les troiseffets classiques : photolectrique, Compton et cration de paires lectron - positon. On ngligerales rares effets photonuclaires dus la capture dun photon par les atomes du milieu.

Ces trois types de phnomnes microscopiques transfrent de faon indirecte lnergie des lectrons atomiques, dont lnergie cintique causera les dgts biologiques.

Le point du milieu irradi sige dun des phnomnes primitifs est appel point detransfert. Lnergie transfre sera absorbe plus loin, dans la direction ou non du faisceauxincident et peut tre responsable deffets biologiques distance.

Les rayons X ou diffrent par leur mode de production, les premiers tant d'originelectronique, les seconds d'origine nuclaire.

La rpartition de lnergie lors de lmission se prsente sous forme de spectre de raies ( ou X de fluorescence), ou sous forme de spectre continu (rayonnement de freinage).

Lors de linteraction avec la matire, il est impossible de distinguer sur le planparticulaire entre ces deux rayonnements lectromagntiques. Les phnomnes microscopiquessont strictement identiques.

Les interactions des rayons lectromagntiques avec la matire, ainsi que lesphnomnes dattnuation ont t dtailles prcdemment (cf. Imagerie Mdicale p.23 33).

En annexe, (cf. Imagerie Mdicale p.48 53) ont t prcises les parts respectives desdiffrents effets pour deux milieux fondamentaux : leau et le plomb.

On peut imaginer les difficults, non pas pratiques, mais intellectuelles, dapprhenderune notion semblant vidente, celle dcran protecteur.


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Le schma ci-dessous rsume les mcanismes fondamentaux dinteraction.

Z e+

e-

e-

e-

e+

(1)

(3)

(2)

h

h'h

h

e-e+

annihilationh h0 0

1 - effet Compton

2 - effet photolectrique

3 - matrialisation,suivie dune annihilation etmission de deux de 0,511MeV.

Leffet Thomson-Rayleight na que peu dintrt pour les consquences biologiques,puisquil ny a pas de transfert nergtique.

Leffet de matrialisation qui tait ngligeable en imagerie na plus de raison dtreignor, car significatif ds que lnergie du faisceau incident dpasse le MeV.

Suite un des trois effetsfondamentaux, le photon primairetransmet son nergie cintique auxlectrons atomiques de la matire.

Ces lectrons secondaires sontsouvent appels rayons delta (rayons ). Ils transmettent leurspropres nergies cintiques, engnral distance.

Effet photolectrique:

Effet Compton :

Cration de paires :

Ecin. = h. Eliaison

Ecin. = h. h. '

Ecin. = h. 1, 02 MeV

Les lectrons ngatifs et positifs ont le comportement radiobiologique des particulescharges lgres, tout comme les particules et + (cf. p.7), sauf en ce qui concernelannihilation qui suit la perte totale de lnergie cintique, contemporaine de lmission de deuxphotons de 0,511 MeV , mis en concidence temporelle et spatiale.


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Le transfert dnergie linique, exprim en keV par m est directement li la DensitLinaire dIonisation (DIL = nombre dions cres par m).

La valeur moyenne dionisation pour leau ou les tissus mous est estimeapproximativement 34 eV, do la relation : TEL = 34 eV . DLI

Les diffrents rayonnements, ionisants et non ionisants prsentent des aspects varisdinteraction avec les milieux biologiques. Leurs effets sont directement lis au mode de transfertnergtique. Il en dcoule la notion de dose, difficile comprendre, et bien trop souvent malinterprte.

IV LABSORPTION DENERGIE : NOTION DE DOSE

Le terme de dose est demploi dlicat en raison de la multiplicit de ses acceptions. Enmdecine gnrale, la dose dun antibiotique sexprime en mg ou en g par kg de poidscorporel. Il conviendrait dans ce cas de parler de posologie.

En radiobiologie, la notion de dose na de sens que munie dune pithte, et estdirectement lie au dpt dnergie dans le tissu vivant.

On dfinira de manire rigoureuse la signification de dose transfre, de dose absorbe,de dose efficace et dquivalent de dose.

En pratique, la notion de norme, essentielle en radioprotection et trop souvent malinterprte, est en fin de compte celle des limites de doses acceptes pour une activit humaine.

La ralit du transfert dnergie dun rayonnement vers la matire est un faitexprimental bien document, intuitif comme linfrarouge dilatant le mercure du thermomtre oule soleil qui chauffe, parfois plus que de raison, le tissu cutan.

Ces modifications thermiques ont une origine molculaire par modification de lnergiecintique ou de ltat de vibration et de rotation des molcules constitutives du milieu.

Par contre, le transfert nergtique lors de linteraction matire-rayonnement pour lesrayonnements ionisants est de toute autre nature, qui parait plus mystrieuse. La descriptionphnomnologique prcdemment expose des nombreux processus en cause doit fairecomprendre leurs multiples difficults, mais aussi faire admettre quils sagit dun des domainesde la physique parmi les plus explors, expriments et expliqu selon les thories physiques etbiologiques actuellement valables.

IV - 1 ) Dosimtrie des rayonnements non ionisants

Pour tout rayonnement, il existe une relation entre la dose absorbe et leffetbiologique. Classiquement on distingue :


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- la radiomtrie dont les units sont drives des units de la thermodynamique

- la photomtrie, lorsque le rcepteur dnergie est lil humain.

Le seul rcepteur qui fournit une mesure directe de lnergie absorbe est le rcepteurthermique intgral ou corps noir.

La thorie du corps noir prsente en annexe sur un mode historique mrite pour lemoins une lecture attentive, les notions introduites sont gnratrices de la conception actuelle dela physique thorique et applique.

IV - 1 - 1 ) Radiomtrie

Ci-dessous, on ne fait que rappeler les units des grandeurs radiomtriques, pour unesource peu tendue et polychromatique.

S =Et

Le flux nergtique est lnergiequi traverse une surface donne enune seconde.

en J.s -1 = Watt

E = d d SLclairement nergtique est le

flux nergtique reu par une surfacelmentaire dS (caractrise lcran).

en W.m -2 (watt par mtrecarr)

J = d d Lintensit nergtique est le flux

ramen langle solide (caractriselcran).

en W.sd -1 (watt par stradian)

Si on connat la dose de rayonnement ultraviolet qui provoque un effet, tel quunebrlure du premier degr ou une kratite, il faut pouvoir mesurer le risque, donc les grandeursnergtiques associes. On en dduit des valeurs drives, qui permettent avec une grandescurit dautoriser une exposition, professionnelle par exemple, ou ddicter des conseils pour lepublic en gnral.

Par exemple la dose rythmateuseminimale pour les rayons ultraviolets de315 400 nm, ( UV A), est :

< 10 W.m -2 pendant 10 3 s (environ17 mn) ou

< 10 kJ. m -2 pour une expositionplus courte.

exposition maximaleraisonnable

zone d'incertitude

limite de danger

nergieabsorbe


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0

2000

4000

6000

8000

10000

200 250 300 350

La courbe ci-contre montre lesvaleurs de seuil en fonction de la longueurdonde pour une exposition aux UV dunedure de huit heures.

- en abscisse : longueur donde en nmpour les UV. B

- en ordonnes : seuils dexpositionen J . m -2 .

Remarque : il ne sagit que de seuils concernant certains effets des fortes doses, de typenon stochastiques.

Un autre exemple important qui fait intervenir des facteurs defficacit est celui de laphotomtrie, le rcepteur nergtique tant la rtine.

IV - 1 - 2 ) Photomtrie

La photomtrie soccupe de la meure des interactions photon-matire dans un cas trsparticulier, mais important. Cest celui o le rcepteur, cest dire lappareil de mesure est lildont la rtine, accompagn de toute la structure dintgration sus-jacente.

Ltude de ces phnomnes est du domaine de la biophysique sensorielle, nous nerappellerons que les units employes.

La luminance nergtique est une notion drive de lintensit nergtique pour unesource tendue. La luminance est lie la sensation de quantit de lumire perue par lil. Enfonction de la longueur donde (dans le domaine de la lumire visible), lil peut galiser desluminances pour des luminances nergtiques diffrentes.

Ds 1924, la commissioninternationale de lclairage a dfini unil universel, reprsent par lacourbe defficacit lumineuse V( ) :cest lobservateur de rfrence.

La sensation lumineusednergies physiques identiques dpendde la longueur donde.

V ( )

(nm)

50 %

100 %

555400 700


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I = d Fd Lintensit lumineuse est le

flux ramen langle solide. Onlexprime en lumen par stradian.

en candela(cest lunit fondamentale)

F = E dSS Le flux lumineux dpend delnergie transporte.

en lumen(candela . stradian)

E = d Fd S =I dd S

Lclairement est la densitsuperficielle du flux lumineuxreu par une surface.

en lux(lumen par m 2 )

Les caractristiques physiques dun faisceau de rayonnement ne sont pas, et de loin,suffisantes pour aborder les phnomnes biologiques qui dcoulent de linteraction matire-rayonnement.

IV - 2 ) Dosimtrie en radiobiologie

La premire mesure de dose avait t propose par LIND en 1911, qui avait observquun gramme de radium dans lair produisait 0,7 g dozone par heure. Limprcision desmesures reste prohibitive.

Dans le domaine mdical, toutes les interactions des rayonnements ionisants se rsument un transfert dnergie cintique lectronique. Lide de mesurer une charge lectrique credans lair par un faisceau de rayons X tait sduisante. Il est en effet bien plus ais de mesurerune charge cre dans une petite masse dair, que dapprcier la trs faible diffrence detemprature associe, ce qui est la mthode de rfrence. De l dcoule la notion de dosedexposition.

IV - 2 - 1 ) Dose dexposition

La dose dexposition caractrise un faisceau de rayons X ou . Lunit associe, leRNTGEN est importante, tant du point de vue historique que pratique.

La mthodologie schmatise ci-contreest simple. Les deux faces dun condensateurrecueillent les lectrons mis en mouvementlors de linteraction des X et des avec lesmolcules d'air.

Le Rntgen (1 R), est la quantit derayonnement X ou qui cre, dans un cm 3dair une unit lectrostatique CGS

. ...... ...... .... .

........ ..... .. ....

..

............ ......

X ou


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Dans le systme MKSA, 1 ues CGS =3,3 10 - 10 C.

Les quivalences sont nombreuses, partir de la charge de llectron (- 1,6 10 - 19 C) etde la masse dun dm 3 dair (1,293 g), on dduit facilement :

- 1R -> 2 10 9 paires dions dans 0,001293 g dair- 1R -> 2,6 10 -4 C.kg -1- 1 C.kg -1 -> 3,9 10 3 R

Ce qui est rare pour une unit, sa dfinition a t de nombreuses fois modifie, en 1928,1937, 1956, 1962. Des ambiguts sont difficiles lever pour les spcialistes de mtrologie, parexemple le rle des lectrons secondaires, ainsi que celui du rayonnement de freinage au grandesnergies. Le Rntgen est directement li lnergie transfre, mais lnergie transporte par lefaisceau nest pas exactement proportionnelle lnergie transfre dans lair. En toute rigueur, ilfaut connatre le spectre nergtique du rayonnement et admettre quelques conditions, commecelle de lquilibre lectronique, pour que cette unit soit cohrente.

Bien que lunit nait plus dexistence lgale depuis 1986, elle a le mrite dtre intuitiveet pratique. Les appareils de mesure dutilisation courante sont calibrs partir du Rntgen etparfaitement fiables dans le domaine mdical de lutilisation des rayonnements ionisants.

IV - 2 - 2 ) Dose absorbe

Lors de linteraction dun rayonnement indirectement ionisant avec un tissu biologique,il est ncessaire de distinguer deux notions :

- nergie transfre et- nergie absorbe

Seule lnergie absorbe est lie aux effets biologiques.

h

h '

+

E cin.

P

Le photon, ou le neutrontransfre son nergie en un point P.Dans le cas prsent ci-contre,llectron atomique acquiert unenergie cintique, le reste de lnergiese retrouvant sous forme dun photondiffus.

Lnergie cintique transfrelors de linteraction initiale seraabsorbe par des interactionssecondaires.


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Lnergie transfre (tape initiale)est caractrise par le KERMA (KineticEnergie Released per unit MAsse).

Cest le rapport E cin. m .

Lunit MKSA est le joule parkilogramme, encore appele GRAY.

+

X

n

ou

M

. mh

h '

Le KERMA ne dpend pas de lentourage de la masse m, contrairement la doseabsorbe.

La dose absorbe dans un lment de masse m est lnergie rellement dpose dansla matire. La dose absorbe est gale la dose transfre dans la majorit des cas rencontrs enmdecine, particulirement en radiothrapie. Cest dailleurs pour les radiothrapeutes que cetteunit a t introduite puisque la dose absorbe correspond lnergie effectivement dlivre latumeur.

+

m

M

La dose absorbe sexprime aussicomme le rapport dune nergie (Joule) etdune masse (kg), lunit est la mme quepour le KERMA, cest dire le gray (Gy).

Pour simplifier, on peut dire que leKERMA est identique la dose absorbesil y a galit entre le nombre dlectronscrs hors de la masse m et qui yentrent, et celui du nombre dlectronscrs dans m et qui en sortent.

Sous certaines conditions (nergie,paisseur), lquilibre lectronique estatteint.

A lentre dun volume cible, ladose absorbe est nulle, puis elle atteintrapidement la valeur du KERMA, enprincipe en quelques millimtres pour lesnergies habituelles dans le domainemdical.

KERMA

dose absorbe

dose

distance


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Pour mmoire, il existe une autre unit, le rad qui ne doit plus tre utilise, mais quitrane encore trop souvent dans quelques articles.

Il sagit de la mme unit que le gray, mais exprime dans lantique systme CGS :1 rad = 100 ergs / gramme.

Il faut cependant retenir, uniquement pour les conversions dunit dans des articlesanciens, quun rad gale un centime de Gray, ou :

1 Gy = 100 radsIV - 2 - 3 ) Dose quivalente

Pour le physicien, la mesure dun transfert dnergie dans un milieu homogne est aise(ionisation des gaz, augmentation de temprature, etc.). En biologie, les problmes rencontrssont bien plus complexes :

- la matire biologique est fondamentalement htrogne

- le transfert dnergie est produit haute concentration au niveaumolculaire, il existe des molcules cibles responsables des effets macroscopiques observables

- lchange nergtique microscopique entre un rayonnement et unestructure cellulaire est difficilement modlis. A ce niveau, la radiobiologie ne peut se passer desconnaissances de la mcanique quantique et de la thermodynamique statistique

- pour un dpt dnergie identique, une particule peut ne laisseraucune trace biologique, ou modifier une molcule critique et transformer la cellule dans sonensemble mtabolique, ou bien mme tuer la cellule

- la notion de moyenne na plus beaucoup de sens pour lesphnomnes microscopiques

- enfin on imagine la difficult de corrler une absorption dnergiedans un volume de lordre du nm 3 (brin dADN) des consquences pathologiques survenant unmois ou trente ans plus tard.

Ce qui importe pour le mdecin est la relation entre la dose absorbe par les tissus,mesure physiquement, et les effets produits sur les tres vivants.

En radiopathologie et en radioprotection, il faut tenir compte de lefficacit biologiquedes rayonnements, au sens de la capacit pour un rayonnement de produire leffet observ(inhibition enzymatique, aplasie mdullaire, rythme, alopcie, etc.).


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On dfinit lEBR, lefficacit biologique relative, par le rapport de la dose absorbe dunrayonnement de rfrence (par exemple X de 100 keV) sur la dose absorbe du rayonnementtudi qui produit le mme effet.

Les conditions exprimentales doivent tre rigoureuses et leffet recherch correctementdfini.

EBR = Da (rayt rf. )

Da ( rayt tudi )

Pour les effets rares et alatoires, donc dpendant du hasard au moins en partie, lEBRest appel facteur de qualit et est not wR .

Cette nouvelle notion de dose, nomme quivalent de dose ou mieux,dose quivalente est de trs loin la plus importante en pratique non spcialise.

En pratique, la seule retenir.

La dose quivalente est actuellement note H R , il vient la relation fondamentale :

HR = DR . wR

Pour un rayonnement donn (indice R) , la dose quivalente est gale au produit de ladose absorbe par le facteur de qualit.

La dose quivalente est la mesure des effets biologiques et apparat comme le produit dela dose absorbe, mesure physique du transfert nergtique, par un facteur de pondration, lefacteur de qualit wR .

Lunit de dose quivalente est le SIEVERT (Sv).

Cest lunit primordiale pour les applications mdicales, la seule quil convient deretenir, accompagne de sa sous-unit, le millisievert (mSv).

Le facteur de pondration du rayonnement wR dpend du TEL de faon assezcomplexe, le tableau suivant illustre de manire simple les relation liant ces diffrents paramtres.


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rayonnements ou particules TELapproximatif

facteur de qualit (wR )

photons - lectrons( X , ) - ( e - , - , + )

5 keV / m 1

neutrons Ecin . < 10 keV 10 keV < Ecin. < 100 keV100 keV < Ecin. < 2 MeV 2 MeV < Ecin. < 20 MeV Ecin. > 20 MeV

50 keV / m51020105

protons (Ecin. > 2 MeV ) 100 keV / m 5

, noyaux lourds 200 keV / m 20

On peut retenir les valeurs numriques approximatives du facteur de qualit :

- 1 pour les rayons X , et les lectrons,

- 10 pour les neutrons,

- 20 pour les particules .

Mais il faut aussi se souvenir quen mdecine (imagerie ou radiothrapie), on nutiliseen pratique que les X, les et les lectrons, dont le facteur de pondration est 1 .

Dans ces cas les plus frquents, le facteur de qualit disparat, il reste :

HR = DR

En fin de compte, il est souvent possible dexprimer par le mme nombre la doseabsorbe en GRAY et la dose quivalente en SIEVERT.


____ Dr S. Coequyt 2005 ____________________________________________________ 32 ______

Lancienne unit de dose quivalente, le rem, ( Rntgen Equivalent for Man) exprimebien la notion de rayonnements diffrents provoquant les mmes effets, dans des conditionsexprimentales prcises, mais cette unit na plus aucune raison dtre utilise.

Comme pour la conversion du Gray en rads, on peut retenir: 1 Sv = 100 rems

IV - 2 - 4 ) Dose effective

La probabilit dapparition des effets stochastiques dpend du type de tissu irradi.

Par exemple les tissus peu diffrencis, plus frquemment en phase mitotique, sont plusradiosensibles, de mme les gonades sont de par nature engages dans les effets gntiques.

Dans les dernires recommandations de la Commission Internationale de ProtectionRadiologique (CIPR 60), un facteur de pondration tissulaire a t introduit, le tableau ci-dessousreprend ces donnes, de manire simplifies.

Tissu ou organefacteur de pondration

tissulaire (wT )

gonades 0,20

moelle osseusecolonpoumonestomac 0,12

vessieseinsfoiesophagethyrode 0,05

peauos 0,01

autres tissus 0,05


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La dose effective, elle aussi exprime en Sievert, est doublement pondre, wR est lefacteur de pondration du rayonnement, wT est le facteur de pondration tissulaire.

La dose effective, E , devient alors :

E =T HT,R . wT

= wTT wR

R . DT,R

Cette dernire formule prend en compte la variabilit des effets physiques desrayonnements, ainsi que la variabilit des rponses tissulaires de lorganisme, y compris ceux desphnomnes enzymatiques de rparation.

Elle rend compte, pour la radiobiologie, de la complexit biologique.

Pour les besoins de la radioprotection, des travailleurs et de la collectivit, la doseeffective peut encore tre prcise :

- la dose effective engage est la sommation de la dose effective sur50 ans pour les travailleurs et sur 70 ans pour la population en cas dincorporation dlmentsradioactifs.

- la dose effective collective considre les effets gntiques desfaibles doses administres une population. Pour ces effets, 1 Sv dlivr 10 hommes estquivalent 1 mSv dlivrs 10 000 hommes.

Lunit est lHomme-Sievert (H.Sv), 10 H.Sv dans lexemple prcdent.

En conclusion, la notion de dose est certes complexe, mais parfaitement contrle, tanten ce qui concerne la protection des travailleurs que celle du public.

Il convient de se mfier des interprtations tendancieuses de la dose, souvent dues une mconnaissance des notions lmentaires des les effets biologiques des rayonnements,ionisants et non ionisants.

Documents

radiobio061-33