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Radioactivité, Nucléaire,..sont des mots à connotation négative et pourtant…

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1 Radioactivité, Nucléaire,..sont des mots à connotation négative et pourtant…

2 Les radiations ionisantes révèle dénormes possibilités tant positives que négatives !

3 Disciplines médicales impliquant des radiations ionisantes Radiothérapie Médecine nucléaire –Visée diagnostique –Visée thérapeutique –Autres applications spécifiques En neurochirurgie En neurologie….. Radiodiagnostic (imagerie médicale RX) –Radiologie classique –Médecine légale Tout type de Chirurgiescopie pour le radioguidage Radiologie interventionelle –Coronarographie,… Biologie clinique Toutes ces disciplines sont soumises à la réglementation en matière de radioprotection

4 Problématique de la radioprotection (I) Sil nexistait que des effets donnant lei à des manifestions biologiques claires et si tout était mis en place pour que les valeurs de dose donnant ces effets ne soient jamais dépassées, les activités impliquant les RI pourraient être exercées avec la garantie dune sécurité totale… Lincertitude scientifique quant à lapparition deffets aléatoires (cancers…) oblige à quitter cet univers de sécurité totale.

5 Problématique de la radioprotection (II) Quand on est dans un univers structuré par lincertitude – domaine des rayonnements – la gestion du risque relève du principe de précaution Le principe de précaution doit éviter 2 écueils: –Le déni du risque (rayonnement invisible…pas évident de se souvenir quun risque existe…) –La surenchère catastrophique (tend à remettre en cause une activité pour laquelle on ne peut pas exclure un risque)

6 Système de radioprotection basé sur 3 principes… Justification des pratiques Optimisation des doses délivrées Limitation des doses reçues Eviter la routine vis-à-vis dun risque invisible

7 Le but de la protection radiologique est dempêcher les lésions dans les tissus vivants par les radiations ionisantes il faut éviter labsorption du rayonnement par les organismes vivants. Le rayonnement est porteur dénergie qui est transmise à la matière et qui peut provoquer des dégâts Source radioactive - activité - énergie dose reçue

8 Réglementation belge en matière de radioprotection « Arrêté royal du 20 juillet 2001 portant règlement général de la protection de la population et des travailleurs contre le danger des rayonnements ionisants » « La somme des doses reçues du fait des expositions ne doit dépasser les limites de dose fixées pour les différentes catégories de personnes » Limitation des doses 2 catégories de personnes - personnes professionnellement exposées - personnes du public Zone contrôlée

9 Notre monde est radioactif…Nous sommes soumis quotidiennement à une irradiation naturelle 1,1 mSv/an 2,4 mSv/an

10 Radioactivité artificielle

11 Irradiation médicale (radiodiagnostic)

12 Radiodiagnostic (utilisation des RX) Contribution significative à la dose reçue par la population Utilisation des rayons X - Radiographie - Scopie et radiologie interventionnelle

13 Salle de coronarographie: arceau mobile permettant un double plan de rotation autour du patient Instrumentation: source de RX, une table et un arceau, un amplificateur de brillance, une caméra vidéo, des moniteurs de visualisation, système de traitement dimages

14 Quest-ce que la radioactivité ? Découverte dun phénomène majeur de la nature ! Je lai découverte il y a 112 ans et pourtant elle a toujours existé !

15 La radioactivité est la propriété de certains noyaux de se transformer spontanément en dautres noyaux C est l émission de rayonnement ou de particule caractéristique provoquée par la transformation d un noyau instable en un noyau stable. Exemple : le 60 Co émet 2 rayonnements Gamma (1.17 et 1.33 MeV) Exemple : le 210 Po émet une particule pour donner du Pb stable Tout système instable tend vers une plus grande stabilité

16 LES RAYONNEMENTS IONISANTS:,,, X, n° Tout système instable tend vers la stabilité La transformation du noyau entraine lémission dun rayonnement Décroissance radioactive 1. Rayonnement Quelques cm dans lair (quelques MeV) Parcours rectiligne 241 Am 237 Np +

17 LES RAYONNEMENTS IONISANTS:,,, X, n° 2. Rayonnement (e -, e + ) Energie: quelques keV à x MeV Parcours sinueux, quelques m dans lair (qq mm dans les tissus vivants) 32 P 32 S + e-

18 LES RAYONNEMENTS IONISANTS:,,, X, n° Tout système instable tend vers la stabilité La transformation du noyau entraine lémission dun rayonnement Décroissance radioactive 1. Rayonnement 2. Rayonnement (e -, e + ) Energie: qq MeV Parcours rectiligne, qq cm dans lair, qq dizaines de µ dans les tissus vivants Energie: qq keV à qq MeV Parcours sineux, qq m dans lair qq mm dans les tissus vivants Rayonnement ionisant

19 LES RAYONNEMENTS IONISANTS:,,, X, n° 4. neutrons Suivant leur énergie, neutrons thermiques (0,025 eV), lents (< 1 keV), intermédiaires, Rapides (15 MeV) Capturé par les noyaux Noyau excité Désexcitation par émission,, Les neutrons agissent par chocs Parcours: - Neutron thermique (quelques dizaines de m) - Neutron rapide (quelques centaines de m)

20 LES RAYONNEMENTS IONISANTS:,,, X, n° 3. Rayonnement électromagnétique ( et RX) se différenciant en fonction de leur origine Rayonnement Désexcitation du noyau après émission ou Propagation en ligne droite, Très pénétrant (peu dinteraction) quelques centaines de m (E = 1 Mev) 60 Co 60 Ni + + (E = 1,17 et 1,33 MeV) Pour arrêter un de E = 1MeV (ex: 60 Co): 200 à 300 m dair…… Rayt : changement dans les niveaux dE du noyau (quantifié) Rayt de freinage: ralentissement des e- dans la matière Rayt X: changement dans les niveaux dE des e- de latome

21 LES RAYONNEMENTS IONISANTS:,,, X, n° Rayonnement X réarrangement délectrons (cas des isotopes) 125 I 125 Te + X +

22 Le Tube à Rayons X Tube à vide poussé 2 Electrodes –Anode Négative –Cathode Positive - Cible Haute Tension Chauffage de la Cathode Fenêtre Gaine Refroidissement

23 Pour produire des RX, nous avons besoin de… - Une source délectrons - Un haut voltage pour accélérer les électrons - Une cible pour absorber les électrons et produire les RX

24 Générateur de Rayons X flux délectrons useful X-rays anode Cathode (filament de W) enceinte en verre Mécanisme à lorigine des RX: - collisions (électrons des atomes de lanode) - freinage (noyaux des atomes de lanode) Interaction e - - e - Interaction e - - noyau

25 Phénomène physique de la production de RX: Les collisions Ejection dun électron (ionisation) Excitation dun électron Réaménagement électronique –Déplacement des électrons –Excédent dE rayonné sous forme de fluorescence Absorption dE Etat dE supérieur Retour vers létat fondamental E ( Fluorescence) = différence dE entre 2 couches électroniques (valeur caractéristique) Spectre caractéristique

26 Phénomène physique de la production de RX: Le rayonnement de freinage Electron subissant la force dattraction dun noyau atomique –Ralentissement –Déviation –Perte dE sous forme de photons ( de freinage dE entre 0 et E) –Spectre continu Plus lE de lélectron augmente et plus Z est grand, plus le phénomène sera important Ce phénomène est celui qui est utilisé dans les générateurs à RX

27 Spectre des Rayons X

28 En résumé…. Ces rayonnements sont des désintégrations nucléaires (E de la particule émise ou du rayonnement caractéristique de lélément considéré) 3 caractéristiques dun élément radioactif – nom de la particule ou rayonnement (,,, X, n°) – E de lémission (eV: keV, MeV) – intensité (cadence de désintégrations: nbre de désintégrations par unité de temps)

29 La première radiographie…pour la première fois, on peut voir les os à lintérieur du corps W. Roentgen Et tout cela en travaillant avec des tubes cathodiques….

30 Découverte de la radioactivité naturelle par H.Becquerel Émission par un sel dUranium de rayonnements capable dimpressionner une plaque photo Découverte dun phénomène majeur de la nature

31 Découverte par P.et M.Curie de deux éléments radioactifs: Po et Ra En 1898, Pierre et Marie Curie annoncent la découverte de deux éléments : le polonium (nom rapellant son pays : la Pologne) et le radium. Elle reçut le prix Nobel de physique en 1903, avec son mari et H.Becquerel ainsi que e prix Nobel de Chimie pour son travail sur le radium et ses composés en 1911.

32 Les premières lésions Première expérience radiobiologique (involontaire) en 1900 par Becquerel : production d un érythème cutané 15 jours après exposition au radium. Répétition (volontaire) de la même expérience par Pierre Curie en Ces 2 expériences marquent le début de la radiobiologie

33 Un peu dhistoire… 1895 découverte des RX par Roentgen 1896 découverte de la radioactivité par Becquerel dans un minerai duranium 1898 Extraction du Po et Ra du minerai duranium (P. et M.Curie) 1920 conscientisation du danger dune exposition et esquisse dune réglementation 1932 découverte de la radioactivité artificielle par I. et F. Joliot-Curie 1942 mise en marche de la pile atomique par Fermi 1945 Bombe atomique sur Hiroshima et Nagasaki Prudence! Le Nucléaire fait peur Instauration dun climat de confiance Protection efficace Limiter la probabilité dun accident et si cela arrive.. rapidité et efficacité des secours

34 Lois de la radioactivité: période radioactive (T) T: loi physique caractéristique de chaque élément radioactif (temps nécessaire pour que la moitié des atomes présents se soit désintégrée spontanément) Au départ N 0 noyaux: 1T½ N 0 2T ¼ N 0 3T1/8 N 0 10 Tun millième… Exemple: Ra ans C ans Tc 99m6 heures I 1318 jours Th 2241 seconde

35 Notions fondamentales Loi de décroissance: -dN/dt = λ N t = A (λ:constante radioactive) Relation donnant le nombre datomes radioactifs restant après un certain temps t:N t = N o e -λt Période radioactive T: ½ N o = N o e -λt T = 0,693/ λ Activité: A = λ N t (activité absolue) –détermination par comptage des particules émises par la substance radioactive –Activité relative = rdt x activité absolue (le compteur ne mesure quune partie des rayonnements émis dans toutes les directions) Attention: nous ne pouvons dénombrer les noyaux radioactifs nous ne pouvons que détecter les rayonnements émis par ceux qui se désintègrent

36 Comment déterminer la période radioactive ? Rdt: rapport entre le signal net mesuré par linstrument et lactivité dune source de référence utilisation dune source étalon Pour connaître T, on mesure lactivité relative de léchantillon à reprises à des temps suffisamment espacés pour mettre en évidence une diminution de lactivité. –A(t) en fct du temps est une exponentielle. –En pratique, on utilise log A(t) en fct du temps droite courbe de décroissance Une droite jusquau BF 1 isotope Évolution concave (évolution dans un graphique semi-log de lactivité en fct du temps) mélange (A = A1 + A2 +An) –Extrapolation de la partie droite et soustraction de la droite extrapolée –Opération répétée Échantillon radioactif rayonnement compteur Activité absolue (dés/sec) Activité relative

37 Activité dun radioélément Une source est caractérisée par lactivité quelle contient (nombre de noyaux se transformant spontanément par unité de temps), activité variant selon la décroissance radioactive. Unité légale : Becquerel (1 Bq = 1 désintégration par seconde) Ancienne unité: Curie (1 Ci = 37 milliards de Bq) 1 kBq = 1000 Bq 1MBq = Bq 1 GBq = Bq

38 Chaîne de décroissance radioactive

39 Période effective et biologique En cas de pénétration dans lorganisme… –Décroissance physique suivant T –Élimination biologique (organe cible, concentration…) T B –Loi exponentielle dans les deux cas Période Effective (T E ) 1/T E = 1/T R + 1/T B T E toujours plus petite que la plus petite des 2 autres ! Les effets biologiques dune contamination interne dépendent de la nature et de lactivité du radioisotope présent dans lorganisme

40 Modes dinteraction des rayonnements avec la matière: connaissance nécessaire en radioprotection détermination de la dose absorbée par les tissus exposés étude des détecteurs de rayonnements conception des écrans de protection 2 catégories de rayonnements –directement ionisant (,, protons) –indirectement ionisant (, n°: production de particules secondaires chargées) 3 modes dinteraction –Excitation: e - amenés à des niveaux dE du niveau fondamental –Ionisation: électron éjecté du reste de latome –Rayonnement de freinage: photon quémet une particule chargée en passant dans le champ coulombien du noyau dun atome Perte dE (dE) par unité de longueur (dX): dE/dX = K. mZ 2 /E Parcours dune particule R = E 0 2 / 2KmZ Perte dE (dE) par unité de longueur (dX): dE/dX = K. EZ 2 /(mc 2 ) 2

41 Interaction des rayonnements ionisants avec la matière Les rayonnements perdent leur énergie en traversant la matière –Action directe sur les électrons par les et –Excitation et ionisation des atomes par les –Excitation des noyaux par les n° Rayonnement directement ionisant ( et ) –Interaction avec les électrons périphériques Expulsion de lélectron ionisationnbre de paires dions Déplacement dun électron sur une autre couche excitation de latome et émission de photons X Ionisation de la matière 7300 x plus lourd que e - Trajectoire rectiligne Très ionisantes (milliers datomes dans cellule) e-e- Trajectoire sinueuse Faiblement ionisant (petit nbre datomes dans cellule)

42 Interaction des RI avec la matière: les photons Rayonnement électromagnétique se différenciant par leur origine –Rayonnement : changement dans les niveaux dE du noyau (quantifié) –Rayonnement de freinage: ralentissement des e - dans la matière –Rayonnement X: changement dans les niveaux dE des e - de latome Effet photoélectriqueEffet ComptonProduction de paires Toute lE du photon cédée à le - sous forme dE cinétique Partie de lE du photon cédée à le - Photon de moindre E Photons E < 50 keV Photon dE > 1.02 MeV Noyau avec Z élevé E = MeV E entre 50 keV et 20 MeVE > 20 MeV

43 Interaction des avec la matière: Effet photoélectrique Totalité de lE transférée à un e - de latome –Seulement si lE > E K –E liaison avec Z et proximité du noyau Coefficient dabsorption photo-électrique –µ photo-électrique Z 3 /E 3 En pratique… –Pb bon matériau pour les écrans de protection contre les RX (permet larrêt des RX de faible E et un bon % des autres) –Bon contraste de limage radio –Effet principal dans la matière organique (Effet majeur pour V > 70kV) car arrêt du RX de faible E et production dun électron pouvant être biologiquement néfaste E e = h - E K Effet important pour les photons de faible E et dans les matériaux lourds

44 Interaction des avec la matière: Effet compton Partie de lE du transmise à le - Distribution angulaire en énergie –Pour élevé, E diffusé fort réduite Conséquence: dégradation importante du spectre dE des –Détecteur sensible sur un domaine étendu dE de avec un certaine réponse angulaire –Le diffusé est multidirectionnel Peu dinfluence de Z masse de matière présente! –Efficacité de lécran de protection ne dépendant du matériau choisi En pratique… –Diffusé encore assez énergétique pour avoir des effets sur image radio (voile) et constituer un danger pour le personnel qui doit se protéger –provient du patient. Diffusé avec lE des RX et du volume irradié E c = h O - h h O h EcEc

45 Interaction des avec la matière: matérialisation E > 1MeV matérialisé en 2 e - avec E cinétique Distribution en énergie –Pour de haute E, E cinétique également répartie entre les e - –Pour de faible E, E des positons > E des négatons Distribution angulaire –Pour de haute E, dirigé vers lavant Annihilation –Lorsque E cinétique ( + ) <<, + est attiré par un - apparition de 2 photons de E = MeV –Si e - au repos, photon émis dans direction opposée En pratique…Ne concerne pas le radiodiagnostic E = MeV E résiduelle = h - 2m O c 2

46 Atténuation globale dun faisceau de photons µ dépend de lE des incidents et de la nature du matériau absorbant (masse volumique, numéro atomique) I = I O e -µx Domaine prépondérant dinteraction en fonction de lE des rayonnements et du Z du matériau absorbant

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