la dosimétrie discipline qui est indispensable elle a un...

La dosimétrie

Discipline qui est indispensableLa dosimétrie a pour but de mesurer la quantité d'énergie déposée dans un matériau ou un tissu vivant lors d'une exposition à des rayonnements ionisants.Elle a un rôle fondamental en radioprotection, radiothérapie et en situations accidentelles.

I- Les différentes expositions! 1- Exposition externe!L'individu est à distance de la source :- exposition globale : corps entier- exposition localisée, partielle : un ou plusieurs organes ou tissusL'individu peut être au contact de la source irradiante : contamination externe

2- Exposition de façon interne

Source de l'irradiation à l'intérieur de l'organisme (inhalation de radionucléides) : contamination interne

II- Les principales grandeurs dosimétriques

- Dose absorbée D (grays) : correspond à la quantité d'énergie qui est absorbée localement par les tissus. Notion essentielle qui permet d'expliquer ou même d'anticiper les effets déterministes sur l'organisme.Elle est définie très localement : D = dEabs/dm (unité : Gy)- Dose équivalente H (sievert) : qui tient compte du la toxicité du rayonnement- Dose efficace E (sievert) : tient compte de la matière vivante,de la sensibilité des

organes, impact sur l'organisme entier.

III- Dosimétrie externe

Correction du concours : La radiosensibilité de l'enfant est plus importante que celle de l'adulte. Pour une dose inférieure à 100mGy le risque de survenue d'effet déterministe est négligeable quelle que soit la période de la grossesse. A partir de 3 Gy début des effets déterministes.

La mesure des doses est indispensable en radiobiologie, radioprotection et radiothérapie. Mesure de la dose absorbée D en exposition externe On mesure la dose D (ce que la plupart des appareil nous permet de faire), mais en fonction de la nature du rayonnement, on mesure D de façon différentes, car le fait d'être directement ou indirectement ionisant, l'énergie ne sera pas déposée de la même façon donc la Dose absorbée ne sera pas la même.

1- Rayonnements particulaires directement ionisants (particules chargées)

-Les particules chargées alpha + électrons (Beta + et -) : peuvent interagirent par collision avec les électrons de la matière (préférentiellement aux noyaux) et provoquent l'ionisation des atomes.La densité d'énergie déposée est maximale sur la fin du parcours dans tous les cas de figures. Les ionisations (lʼe- est éjecté) se font surtout en fin de parcours (car la particules est ralentie, donc elle interagit plus). On a plusieurs collisions jusquʼà ce quʼelle cède son énergie de facon totale. -Les particules chargées peuvent interagir par freinage avec le champ coulombien du noyau (particules qui rencontre des noyaux lourd = production de RX). Surtout dans le cas de particules légères de hautes énergie (électrons et beta moins) dans des milieux à Z élevés. Cas des particules chargées légères (électrons, béta + et -) dans des milieux à Z élevé. Ces rayonnements sont les plus utilisés en médecine.

Particules chargées légères : e- béta -On distingue les particules chargées en fonctions de leur masse. Les électrons arrachent au fil de leur trajet des électrons mais comme ce sont des interactions par collision entre deux molécules de même masse, l'électrons incident va être dévié dans sa course (car rencontre des particules de même masse). En fin de parcours sa trajectoire sera un peu plus linéaire et il effectuera plus d'ionisations. L'électron a donc une trajectoire erratique.- TLE : Energie moyen transférée par les électrons à la matière par unité de longueur de la trajectoire parcourue. - Le parcours Le parcours est la longueur réelle de la trajectoire de l'électrons - La portéeDifférence entre le parcours (longueur réelle de la trajectoire de l'électron) et la portée (profondeur maximale atteinte par les électrons dans un milieu considéré). Cela permet de mieux apprécier la dose absorbée.

Schéma : Le parcours est la trajectoire totale. L'électron à chaque ionisation va changer de direction, on a un parcours erratique (linéaire à la fin mais on ne le voit pas sur le schéma). Ce qui nous intéresse en radiobiologie c'est la portée Le parcours on peut l'apprécier par le TLE mais pas la portée car elle va dépendre de la composition du matériaux … La portée est donc bien plus faible que le parcours.

Formule empirique de la portée (Katz et Penfold):

faisceau

parcours

portée

nE0,412R avec n = 1,265 0,0954 ln E

R = portée en cm E = énergie des électrons en MeV = masse volumique du matériau en g.cm-3

Formule empirique de la portée (Katz et Penfold) : Formule empirique de la portée (Katz et Penfold):

faisceau

parcours

portée

nE0,412R avec n = 1,265 0,0954 ln E

R = portée en cm E = énergie des électrons en MeV = masse volumique du matériau en g.cm-3

Ex : électrons ayant une énergie de E= 1,7MeVOn fait tout d'abord le calcul du n grâce à une formule qui nous sera donnée puis on calcule la portée :

Exemple : électrons ayant une énergie de 1,7 MeV

Portée n = 1,265 - 0,0954 ln 1,7 = 1,214

( = 1,3.10-3 g.cm-3) Rair= 0,412 x 1,71,214 / 1,3.10-3 = 604 cm

( = 1 g.cm-3)

Reau= 0,412 x 1,71,214 / 1 = 0,78 cm

TLE = 1,75 MeV.cm-1

Parcours moyen p = E / TLE = 1,7 / 1,75 = 0,97 cm

- Dans l'air : Rair = 604 cm (la dose n'est pas la même a proximité de la source,ou plus loin).

- Dans l'eau : Reau = 0,78 cm

Toute l'énergie du rayonnement est déposée sur 8mm dans l'eau. Les Beta - sont assez énergétiques, il faut s'en méfier dans l'air car la portée est assez importante (jusqu'à 6m) . Plus on est près de la source, plus la dose absorbée est importante. La dose absorbée varie avec la distance à la sourceLa dose reçue par la peau sera importante mais la dose reçue en dessous sera très faible. On sʼintéresse surtout à la portée pour savoir quels sont les organes atteints par cette ionisation.

Calcul du parcours dans l'eau (donc dans les tissus)Le calcul du parcours se fait par le calcul TLE = 1,75 MeV.cm-1. Le parcours (zig-zag) est plus long que la portée mais la différence n'est pas énorme. Parcours moyen « p » = E/TLE = 0,97 cm

Les particules lourdes chargées (particules alpha = noyau d'hélium)Les particules lourdes interagissent surtout avec les électrons et vont réaliser un grand nombre d'ionisation. Ces particules lorsqu'elles rentrent en collision avec des électrons leur trajectoire n'est pas déviée car la masses de ces particules lourdes chargées est beaucoup plus importante que celle des électrons. La trajectoire est rectiligne et très courte, la densité d'ionisation est très importante (plus que pour les particules chargées légères), et l'est encore plus en fin de parcours. Pour les particules lourdes, on considère que : portée = parcoursLes particules alpha ont un parcours très très faible par rapport aux autres particules. La dose délivrée dans l'air est au contact de la source tellement ce sont des rayonnements à faible parcours, il est donc difficile de détecter et de mesurer une dose. Dans l'eau le parcours est plus faible que dans l'air, donc la dose est encore plus prés de la source.

Particules chargées lourdes:!!rayonnements

Trajectoire rectiligne et très courte portée = parcours

Radionucléide 232Th 210Po! 218Po! 212Po!E (MeV) 4,2 5,3 6 8,8

2,6 3,8 4,6 8,6

R ( 32 48 57 107

0,32.E3/2 E en MeV et R en cm

2- Rayonnements indirectement ionisants (rayon X et gamma et neutrons)

a- Les rayons X et gamma

Atténuation dans la matière d'une flux de photon Atténuation : ces photons interagissent par différents mécanismes, les photons peuvent aussi ne pas interagir du tout. 3 principaux effets qui se produisent lors de lʼinteractions des photons avec la matière : (phy est le flux de photons). Les photons cèdent une grande partie de leur énergie à un e-.

2 - Rayonnements indirectement ionisants

a) Les rayons X et

de photons:

! ! ! !! !"! #!e$ x

Loi pour les photons qui auraient interagis, ils n'interagissent pas de la même façon :- Effet photoélectrique : les photons déposent toute leur énergie à un électron qui va lui

aller réaliser quelques ionisations. - Effet compton : les photons déposent une partie de l'énergie à un électron qui va

effectuer peu de ionisations. - Matérialisation : émission de deux photons avec la même direction mais de sens opposé.

(lʼe- et le position se partagent lʼénergie).On ne peut pas parler de dépôt d'énergie totale sur une faible distance pour les photons, donc la dose absorbée sera plus dur à évaluer.

L'énergie absorbée Ea est responsable des effets biologiques, elle est l'énergie cédée à la matière par les électrons secondaires le long de leur trajectoire. L'électron secondaire est celui qui provoquera un plus grand nombre d'ionisation.

a responsable des effets

électrons secondaires le long de leur trajectoire

Ea E (h )

P

h

électron secondaire

Absorption

par la matière

h

On ne peut pas considéré que l'énergie absorbée est l'énergie totale du photon. Ce qui complique le calcul de la dose absorbée.

Lorsqu'on est irradié par des photons il est important de dissocier l'énergie absorbée et la part de l'énergie diffusée. On absorbe pas toute l'énergie des photons qui nous irradient. Lorsque l'on est exposé à des photons, on en absorbe une certaine partie et on en diffuse une autre partie. Lorsque l'on est irradié lors d'un examen, l'énergie des photons est telle qu'il y a beaucoup d'interaction par effet compton, peu par effet photo-électrique. Cela veut dire que les photons cèdent une partie de leur énergie et que l'on a des photons diffusés qui vont prendre des directions différentes donc on devient source d'irradiation après irradiation. Donc après irradiation on devient nous même source d'irradiation.

Les rayonnements X et gamma interagissent avec les os préférentiellement par effet photo-électrique. Energie absorbée et énergie diffusée dans les tissus en exposition externe :

Photons X et Energie absorbée et Energie diffusée

dans les tissus en exposition externe

Une partie de lʼénergie est absorbée et une partie diffusée qui nʼaura pas dʼeffets sur lʼorganisme.

Ea (énergie absorbée) et Ed (énergie diffusée) lors des 3 effets : - Effet Photo-électrique : Le photon donne toute son énergie à l'électron. Le photon lui est

stoppé. On considère que l'énergie absorbée correspond à l'énergie du photon incident.

!

- Effet photoélectrique h Ec(e-) + (h )F

Ea h

- Effet Compton h Ec(e-) + h diffusé

- Effet de matérialisation h Ec(e-) + Ec(e+) + 2 x 0,511 MeV !!

Ea et Ed lors des 3 effets

2 photons ! ! !!diffusé

absorbé

absorbé

- Effet Compton : Le photon incident ne dépose qu'une partie de son énergie. Son énergie est partagée entre l'électron émis qui va représenter l'énergie absorbée et le photon diffusé (moins énergétique que le photon incident). L'énergie absorbée ne correspond qu'à une partie de l'énergie du photon incident.

!


Ea h





absorbé

absorbé

- Effet de Matérialisation : le photon dépose toute son énergie qui est partagée, ils faut que son énergie soit au moins de 2 X 511 keV. L'énergie du photon incident se retrouve dans l'énergie absorbée (position + électron formés lors de la matérialisation) et dans l'énergie diffusée (représentée par les 2 photons qui se sont créés lors de la dé-matérialisation). Lʼénergie est cédée sur une très faible distance.

!


Ea h





absorbé

absorbé

Dans les tissus il y a une large participation de l'effet compton. En dosimétrie on sʼintéresse à lʼénergie absorbée, mais lorsquʼon irradie une personne fait que la personne irradiée devient irradiante.

b- Les particules non chargées: les neutrons

Ils interagissent très peu avec les électrons car ils ne sont pas chargés. Leur dépôt d'énergie va se faire de manière complexe en fonction de leur énergie à eux. La dosimétrie des neutrons est difficile en raison de la diversité de leurs interactions selon leur énergie et selon le milieu. Les neutrons interagissent avec les noyaux : Diffusion- Elastique : protons de recul (mise en mouvement de protons = très ionisant car particules lourdes) (H), le neutron qui entre en collision avec le proton lui cède une grande partie de son énergie et entre en mouvements => protons de recul qui vont ioniser des particules. - InélastiqueCapture (pour des neutrons moins énergétiques) : Ces interactions vont freiner les neutrons.- Radiative de type (n, gamme)- Fission nucléaires (Dans la fission nucléaire le neutron est arrêté) - Réaction nucléaire (n,p) ou (n, alpha) Les neutrons ne sont pas utilisés dans le domaine médical.

IV- Dosimétrie interne

Si on veut faire une dosimétrie interne et évaluer une dose absorbée,on ne peux pas faire une mesure directement à l'intérieur de l'organisme on doit passer par des calculs complexes réalisés par des radio-physiciens.Dosimétrie interne : Passages de radionucléides à l'intérieur de l'organisme, on est face à une activité qui est à l'intérieur de l'organisme.

- Organes cibles critiques : Certains organes vont fixer certains radioéléments plutot que dʼautres. En fonction de la nature du radioélément, il y a des organes cibles critiques, si il

y a une irradiation interne par l'iode par exemple, il va atteindre préférentiellement la thyroïde, le radium lui va se fixer sur les os.

- Il faut aussi tenir compte de la durée de l'irradiation : il faut faire le calcul en tenant compte de la période du radioélément et de la décroissance radioactive. On élimine naturellement le radioélément, il y a donc pour les radioéléments aussi une période biologique d'élimination qui va faire qu'on garde moins longtemps une activité radioactive. Si le radioélément est a lʼintérieur de lʼindividu il fait tenir compte de la durée totale du radioélément, donc de sa période.

III - Dosimétrie interne

Pas de mesure directe calcul

Organes cibles critiques : Iode thyroïde

Durée de : Te = période effective

Dose reçue par un organe fonction de Te, de de la nature et des rayonnements émis

biophe T1

T1

T1

Te = période effective (temps que met l'organisme pour éliminer la moitié du produit) on tient compte de la dose au fil du temps. Elle est calculée à partir de la période biologique et de la période du radioélément. Elle est toujours inférieure à la plus petite des deux périodes.- Le calcul de la dose reçue par un organe : est fonction de Te, de l'activité, de la nature et

de l'énergie des rayonnements émis. La dosimétrie interne est donc plus facile à utiliser que la dosimétrie externe.Attention en dosimétrie interne on calcule la dose mais on ne la mesure pas.

V- Mesure des doses de rayonnements: les dosimètres

La mesure des doses de rayonnements par les dosimètres permet d'apprécier le dommage.Les dosimètres : Ils permettent de mesurer la dose délivrée en un point. Ils permettent de surveiller l'exposition externe (car on ne peut pas mesurer en dosimétrie interne). Deux catégories de dosimètres :- dosimètres actifs : ils permettent de mesurer en temps réel une dose dʼexposition- dosimètres passifs : ils ne vont pas donner en temps réel la dose à laquelle on est exposé. Les calculs de la dose engagée : En cas de contamination interne on va devoir faire des calculs. Pour calculer la dose engager il faut calculer l'ensemble des doses au tissus jusqu'à leur élimination complète.

1- Les dosimètres passifs

On ne peut pas lire directement la dose reçu, la lecture est différée. Les dosimètres enregistrent la dose mais ne peuvent pas chiffrer tout de suite la dose chiffrer, ils ont besoin d'une lecture. Ils transforment lʼénergie quʼils recoivent en un signal particulier. Ce sont des dosimètres de petite tailles, la plupart des dosimètres individuels sont passifs.La dosimétrie passive est utilisée pour faire de la dosimétrie individuelle, ce sont des dosimètres de petites tailles :

- Film dosimètre (photographique) Il est constitué dʼun petit film. Le rayonnement quand il interragit avec le film va noircir le film. Le signal de ce rayonnement se fait a travers le noircissement. Plus il est noircit plus la dose est importante. Il est lu à travers la densité optique. Il est porté pdt 1 à 3 mois, et a la fin de la période on envoit le dosimètre à la lecture, le film est lu, et on mesure la densité optique qui est un reflet du noircissement => dose. Le film est introduit dans un petit support constitué par du plomb, du cuivre, ce qui va filtrer les catégories de

lʼirradiation. On va donc distinguer et répartir la dose recue en fonction de lʼénergie de rayonnement à laquelle on est exposé. Les rayonnements détectés sont surtout béta, X et gamma. (alpha arreté par la distance). On détecte les Beta à condition de ne pas être trop loin, ce sont les plus énergétiques qui vont pouvoir nous parvenir (E > 100 KeV). Ce dosimètre permet surtout le calcul de la dose reçue par des photons

Film dosimètre Dosimétrie individuelle

Rayonnements détectés:

E > 100 keV

RX, R E > 20 keV

- Les détecteurs passifs à luminescence retardée : Lorsque le matériaux est irradié par un rayonnement qui dépose de l'énergie. Il y a dépôt d'énergie (qui provoque lʼexcitation des e-) dans la bande de valence, certains électrons sont excité, passent dans la bande de conduction, et ils sont piégés dans un niveau dʼexcitation. Plus le matériaux est irradié, plus la dose reçue est importante, plus on a d'électrons coincés dans le niveau piège et donc excité.

Lecture : il faut faire redescendre les électrons et les désexcités, pour ce faire on va apporter de l'énergie pour provoquer la désexcitation, on apporte cette énergie au moment de la lecture. Le faire passer dans la bande de valence, les électrons se désexcitent, on a alors émission de photons de désexcitation (luminescence retardée, appelé aussi phosphorescence). On mesure quelque chose qui est proportionnel à la dose absorbé

Les détecteurs à luminescence retardée

bande de conduction

bande de valence

bande interdite

irradiation

e- E

e- émission lumineuse

+ E

excitation lecture luminescence

Lecture par : - chauffage thermoluminescent (TLD) - impulsion IR stimulation optique (OSL)

Si l'énergie apporté lors de la lecture est apportée : - Par chauffage, on parle de dosimètre thermoluminescent - Par un photon du domaine de l'IR, on parle de luminescence stimulé optiquement (OSL)

!Dosimètre thermoluminescent (TLD) : Il peut être très petit, le matériau le plus utilisé et le LiF, il peut être sous forme de bague porté au niveau des doigts. Il est important de savoir ce que les mains prennent comme irradiations, car elles ne sont pas particulièrement radiosensibles mais par contre elles sont particulièrement exposées lors des manipulations.Luminescence stimulé optiquement (OSL) : Ce sont des dosimètres plus chères mais plus sensibles.

Dosimètre thermoluminescent

(TLD)

Le plus utilisé: LiF Bague dosimètre


RX, R E > 20 keV

Luminescence stimulée optiquement

(OSL)


E > 150 keV

RX, R E > 5 keV

Le fluorure de lithium peut etre excité lors du dépot dʼénergie, ces e- sont piégés dans le niveau excité et en chauffant ils seront désexcités. Les bagues complètent la dosimétrie sur les doigts.

2- Dosimètres actifs (indispensable pour compléter la mesure de dosimétrie passive)

Toute personne manipulant des produits émettant des rayonnements doit avoir un dosimètre passif, mais si les doses sont plus importantes il faut aussi avoir un dosimètre actif pour compléter ces mesures. Il est important de pouvoir avoir accès à une dosimétrie active c'est à dire avec une lecture directe de la dose. Suivant la mesure, on des dosimètres différents :

- Dosimètres a gaz :Ils sont basés leur fonctionnement sur l'ionisation de la dose, pour avoir la mesure de la dose il faut avoir une chambre d'ionisation. Le rayonnement pénètre dans l'enceinte contenant le gaz, qui est la chambre d'ionisation. (au niveau de la poitrine ou des mains)Plus la détection est importante, plus le nombre d'électron est important et plus le signal détecté est important. L'énergie déposé provoque des ionisation : réponse proportionnelle a la dose absorbé.Ce sont des appareils très gros ils permettent donc de faire une dosimétrie d'ambiance, c'est à dire pour une pièce entière. Ces dosimètres équipent les appareils de radiologie.

Détecteurs à gaz

rayonnement absorbée.

Rayonnements détectés: RX, R

E X, > quelques keV

dosimètre

dosimètre à la sortie

- Dosimètres à semi-conducteursOn lui associe une mémoire. Ce sont des dosimètres individuels car ils sont très petits, ils permettent donc de compléter la dosimétrie passive pour une personne. => C'est le SEUL qui permet d'avoir une dosimétrie active individuelle (dosimétrie très petite). Quand un semi-conducteur (mauvais conducteur) est irradié, sa conduction se retrouve augmenté. On aura un signal électrique. Lecture en temps réel et stockage de lʼinformation. Ce semi-conducteur est associé à un système informatique, on a donc un système mémoire morte qui enregistre les doses.

Les dosimètres à semi-conducteurs

semi-conducteur élément détecteur

+ mémoire morte

+ Système de lecture Télétransmission

Dosimétrie opérationnelle

Il peut restituer toutes les doses reçues en fonction des moments de la journée. Ces doses peuvent être enregistrés, et stockées dans un centre = dosimétrie opérationnelle obligatoire pour les personnes les plus exposés (catégorie A). Ces dosimètres ont la taille d'un paquet de carte environ.

Dosimétrie opérationnelle dosimétrie individuelle

- Détecteurs à scintillation : Pas abordé lors de ce cours

la dosimétrie discipline qui est indispensable elle a un...

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