GRANDEURS DOSIMETRIQUES APPLIQUES A LA PROTECTION RADIOLOGIQUE Bernard AUBERT Unité d'Expertise en radioprotection Médicale IRSN/DRPH/SER Master de Physique Médicale – PM2-RM1.11 – le 17 novembre 2005

Grandeurs dosimétriques de base Rappels Grandeurs dosimétriques de base (cours JCR PM2-RM1.06) Fluence (m-2) et débit de fluence (m-2.s-1) Fluence énergétique (J.m-2) et de débit de fluence énergétique (J.m-2.s-1) Kerma au point P K = dEtr/dm (J.kg-1 ou gray) Dose (absorbée) au point P D = d/dm (J.kg-1 ou gray)

« Protection et sûreté radiologiques en Médecine ». Introduction Actuellement la protection radiologique repose sur les recommandations qui figurent dans la publication CIPR 60, reprises dans la publication CIPR 73 : « Protection et sûreté radiologiques en Médecine ». La protection radiologique concerne uniquement les rayonnements ionisants et la protection de l’homme. Les risque associés aux rayonnements ionisants doivent être relativisés par rapport aux autres risques. Les grandeurs dosimétriques utilisées sont des grandeurs macroscopiques définies de façon formelle par l’ICRU.

Introduction Le processus d’ionisation conduit à endommager les cellules. Ces dommages peuvent conduire soit à : Une cellule non viable, Une cellule viable mais transformée. On distingue : les effets déterministes, qui apparaissent au dessus d’un certain niveau de dose ; Les effets stochastiques, qui ne dépendent pas de la dose.

Effets biologiques Irradiation Cellule normale Cellule mutée Cellule réparée Cellule mutée Cellule morte Survie initiale mais division impossible Élimination par le système immunitaire Effets différés aléatoires ou stochastiques Effets obligatoires ou déterministes à seuil Mort cellulaire différée Effets génétiques et cancers

Effets déterministes apparaissent obligatoirement quand la dose reçue est supérieure à un certain seuil, cette valeur peut varier dans des limites étroites d'un individu à l'autre, spécifiques de l'action de rayonnements ionisants, gravité proportionnelle à la dose, effets d'autant plus sévères et précoces (sauf cataracte) que la dose reçue est élevée. Pour un individu donné, les conditions d'exposition étant connues, on peut savoir si l'effet apparaîtra ou non et, s'il apparaît, quelle sera sa gravité.

Effets stochastiques ne sont pas spécifiques des rayonnements ionisants, apparaissent au hasard sur certains individus d'une population irradiée effets tardifs dont la gravité est indépendante de la dose reçue (leucémie 5 ans, autres >10 ans), fréquence proportionnelle à la dose, absence de seuil connu, on parle de probabilité d'apparition (ou d'incidence), qui dépend de la dose, nécessité de comparer avec une population témoin. Pour un individu donné, les conditions d'exposition étant connues, on ne peut pas savoir si l'effet apparaîtra ou non.

Effets biologiques Effets Effets somatiques génétiques Effets Effets • altération de la formule sanguine, • érythème, • cataracte, • … • leucémies, • cancers, • mutations sur l'individu. •  mutations sur la descendance. Effets déterministes Effets stochastiques

Relation linéaire sans seuil Effets biologiques Relation linéaire sans seuil ?

Grandeurs dosimétriques Dose moyenne absorbée dans un tissu ou un organe : DT (gray, Gy) Dose équivalente absorbée dans un tissu ou un organe : HT (sievert, Sv) Dose efficace : E (sievert, Sv) Dose efficace engagée : E(T) (sievert, Sv) Dose efficace collective : (homme x sievert, H.Sv)

Dose (moyenne) à l’organe, DT T est l’énergie totale transmise à un tissu ou un organe, et, mT est la masse de ce tissu ou de cet organe. Les valeurs de mT peuvent varier de moins de 10 g pour les ovaires, jusqu’à 70 kg pour le corps entier.

facteur de pondération pour les rayonnements, wR. La probabilité d’apparition d’effets stochastiques dépend non seulement de la dose absorbée mais aussi du type et de l’énergie du rayonnement produisant la dose. Cela est pris en compte en pondérant la dose absorbée par un facteur lié à la qualité de la radiation aussi bien pour un champ de rayonnement externe que pour un radionucléide incorporé. Ce facteur est appelé : facteur de pondération pour les rayonnements, wR.

Facteur de pondération pour les rayonnements D’après la publication 60 de la CIPR Type et domaine d’énergie wR Photons, toutes énergies 1 Électrons et muons, toutes énergies Neutrons, énergie < 10 keV 10 keV à 100 keV > 100 keV à 2 Mev 2 MeV à 20MeV > 20 MeV 5 10 20 Protons, autres que les protons de recul, énergie > 2 MeV Particules alpha, fragments de fission, noyaux lourds

Dose équivalente à l’organe, HT,R La dose absorbée moyenne dans un tissu ou un organe pondérée par le facteur de pondération pour les rayonnements, wR, est appelée : Dose équivalente La dose équivalente, HT,R, dans un tissu ou un organe T due à un rayonnement R, est donnée par : HT,R = wR . DT,R où DT,R est la dose moyenne provenant du rayonnement R dans le tissu ou l’organe T. Comme wR est sans dimension, l’unité SI de la dose équivalente est la même que celle de la dose absorbée le J.kg-1, qui a un nom spécial le sievert (Sv)

Dose équivalente à l’organe, HT,R La dérivée par rapport au temps de la dose équivalente est le débit de dose équivalente, . Lorsque le champ de rayonnement est composé de rayonnements de types et d’énergies ayant des valeurs de wR différentes, le dose équivalente totale est donnée par : , T H & R T,R R T D . w H å =

facteur de pondération pour les tissus, wT. La relation entre la probabilité d’apparition d’effets stochastiques et la dose équivalente dépend aussi de l’organe ou du tissu irradié. Il a donc été défini une autre grandeur, dérivée de la dose équivalente, pour exprimer la combinaison de différentes doses à plusieurs tissus différents afin d’obtenir une corrélation simple avec la totalité des effets stochastiques. Le facteur par lequel la dose équivalente est pondérée est appelé : facteur de pondération pour les tissus, wT. Il représente la contribution relative d’un organe ou d’un tissu au détriment total dû aux effets qui résulteraient d’une irradiation uniforme de tout le corps.

Facteur de pondération pour les tissus D’après la publication 60 de la CIPR Tissu ou organe wT Gonades Moelle osseuse (rouge) Colon Poumons Estomac Vessie Sein Foie Œsophage Thyroïde Peau Surface des os Autres tissus ou organes* 0,20 0,12 0,05 0,01 S = 1

Facteur de pondération pour les tissus D’après la publication 60 de la CIPR Cas des autres tissus ou organes Cela comprend les organes suivants : Glande surrénale, cerveau, gros intestin, petit intestin, Rein, muscles, pancréas, rate, thymus et utérus. Si un seul des tissus ou organes ci-dessus reçoit une dose équivalente supérieure à la dose la plus élevée des 12 organes pour lesquels un facteur de pondération est spécifié, un facteur de pondération de 0,025 doit lui être appliqué et un facteur de pondération de 0,025 à la dose moyenne des autres organes et tissus de la rubrique « Autres ».

Dose efficace, E La dose équivalente moyenne dans un tissu ou un organe pondérée par le facteur de pondération pour les tissus, wT, est appelée : Dose efficace La dose efficace, E, pour un individu est donnée par : où HT est la dose équivalente dans un tissu ou un organe T. Comme wT est sans dimension, l’unité SI de la dose efficace est le J.kg-1, qui a un nom spécial le sievert (Sv) T H . w E å = R , D

Dose efficace, E Indicateur global de l’exposition de l’individu, défini à l’origine pour la radioprotection du public et du personnel. Surtout utile lorsque l’exposition de l’organisme n ’est pas homogène. Utilisée chez le patient en radiodiagnostic et en médecine nucléaire afin de comparer des pratiques entre différents types de procédures, pays, niveaux de soins, période de temps, .… Passage de l'équivalent de dose efficace (CIPR 26) à la dose efficace (CIPR 60). L’évolution des facteurs wT peut conduire à des valeurs numériques différentes entre ces 2 grandeurs, au maximum d’un facteur 2. Changements prévisibles avec la CIPR 2006.

Dose efficace, E Cette grandeur est particulièrement utile quand on veut : caractériser une irradiation hétérogène (médecine nucléaire) , caractériser une exposition où un nombre significatif d’organes sont concernés (radiologie classique et scanographie). additionner les risques de différentes irradiations reçues successivement par un même individu. Son utilisation n’est pas justifiée dans les situations où l’irradiation est bien localisée et ne concerne qu’un type d’organe (mammographie par exemple).

Dose efficace, E AVANTAGES même échelle de référence quelle que soit la modalité d'imagerie ou la région examinée, possibilité d'additionner des E liées à différents examens, .... INCONVENIENTS grandeur calculée, plus difficilement accessible en routine, grandeur dépendant des valeurs des coefficients wT pouvant être modifiées dans le temps, coefficients wT uniques quel que soit l'âge du patient, ....

Dosimétrie en médecine nucléaire 2-FLUORO-2-DEOXY-D-GLUCOSE (FDG) 18 F Injection i ntra-veineuse DOSE ABSORBEE PAR UNITE D’ACTIVITE ADMINISTREE (µ Gy/MBq) Organes Adulte 1 an Paroi vésicale 160 590 Myocarde 62 350 Cerveau 28 48 Ovaires 15 82 Testicules 12 73 Utérus 21 100 Dose efficace Sv/MBq) 19 15 ans 210 81 20 16 26 25 10 ans 280 120 30 39 37 5 ans 320 200 34 44 38 55 51 95 Groupe de travail SFPM  “ Dosimétrie des explorations diagnostiques en Médecine Nucléaire ”

Dose efficace (publication 80 de la CIPR) Dosimétrie en médecine nucléaire Dose efficace (publication 80 de la CIPR)

Doses efficaces (en mSv) correspondant aux procédures de Médecine Nucléaire les plus courantes D’après A. C. Perkins, Nuclear Medicine: Science and Safety, John Libbey (1996)

Dose efficace et équivalent en irradiation naturelle Médecine nucléaire D ’après A. C. Perkins, Nuclear Medicine: Science and Safety, John Libbey (1996)

Doses efficaces (en mSv) correspondant aux procédures de Radiodiagnostic les plus courantes D après A. C. Perkins, Nuclear Medicine: Science and Safety, John Libbey (1996)

Dose efficace et équivalent en irradiation naturelle D’après A. C. Perkins, Nuclear Medicine: Science and Safety, John Libbey (1996)

rachis lombaire 2 clichés RADIODIAGNOSTIC mSv MEDECINE NUCLEAIRE scanner abdomen ® - 20 ¬ cœur 201 Tl tumeurs 18 FDG scanner thorax lavement baryté 10 cerveau 99m Tc HMPAO urographie transit gastrointestinal rachis lombaire 2 clichés abdomen pelvis 5 Irradiation naturelle annuelle 1 foie HIDA MIBI squelette Tc phosphonate reins Tc MAG3 poumons Tc microsphères rachis dorsal 2 clichés thyroïde Tc pertechnetate crâne 2 clichés 0,5 T c DMSA 123 I hippuran thorax 2 clichés 0,1 test de Schilling 57 Co vit. B12 clairance 51 Cr EDTA d'après Hänscheid et al. Kursus der Nuklearmedizin, http://www.uni wuerzburg.de/kursus/Grundlagen.htm

Dose équivalente engagée, HT(t) Après l’incorporation d’une substance radioactive, il y a une période durant laquelle cette substance donne naissance à des doses équivalentes dans les tissus à des débits qui varient. L’intégrale dans le temps du débit de dose équivalente est appelée : Dose équivalente engagée, HT(t) où t est le temps d’intégration en années à partir de l’incorporation t0. Si t n’est pas précisé sa valeur sera de 50 ans pour les adultes et 70 ans pour les enfants. . H ( t ) = ò t + t H ( t ). dt T t T

Dose efficace engagée La dose efficace engagée est définie de la même façon que la dose équivalente engagée : où t est le temps d’intégration en années à partir de l’incorporation. ) ( . T t å = H w E

Dose efficace collective, S Si l’on désire une évaluation de l’exposition aux rayonnements d’une population, on peut calculer la dose efficace collective. Cette grandeur a été définie par la CIPR comme : Où est la dose efficace moyenne pour un sous groupe de population i. L’unité de cette grandeur est l’homme.sievert (H.Sv) å ò = ¥ i N E E. S . ou d i E

Dose efficace collective Grandeur se rapportant à l’exposition d’un groupe. S’obtient en multipliant la dose efficace moyenne du groupe exposé avec le nombre de personnes exposées. Ne doit s’utiliser que pour juger du résultat d’une nouvelle pratique, d’un nouveau matériel, … Ne doit en aucun cas être utilisée pour calculer le nombre de cancers dans une population exposée.

Dose efficace collective (en Allemagne)

Quelle grandeur dosimétrique utiliser ?

Cas des applications médicales DR,T HT = DR,T [gray] [sievert] Dose à l ’organe Dose équivalente WR = 1 (10 mSv) (10 mGy) HT E [sievert] Dose équivalente Dose efficace SWT.HT (2 mSv) (10 mSv)

Il vaut donc mieux utiliser uniquement : Il y a risque de confusion quand la grandeur dosimétrique et son unité ne sont pas précisées. Il vaut donc mieux utiliser uniquement : la dose à l’organe en Gy (ou mGy) la dose efficace en Sv (ou mSv). La dose équivalente, HT, ne présente pas d’intérêt pour les applications médicales.

Grandeurs et unités en radioprotection Les modèles et les grandeurs dosimétriques ont été développés dans une perspective réglementaire ou opérationnelle. De nombreuses approximations sont admises : grandeurs « macroscopiques » basées sur le concept de dose moyenne au tissu les facteurs de pondération pour les tissus et organes (WT) et pour les rayonnements (WR ) modèle simplifié de l’homme standard calculs à l’aide d’outils mathématiques complexes comportant des incertitudes

Relations entre les différentes grandeurs physiques Fluence,  Kerma, K Dose absorbée, D Calculées en multipliant par un coefficient de conversion Calculées en utilisant les wR et wT, et les fantômes anthropomorphes Grandeurs opérationnelles Grandeurs de protection Équi. dose ambiant, H*(d) Équi. dose dir., H’(d,) Équi. dose ind., Hp(d) Dose absor. organe, DR,T Dose équi. organe, HT Dose efficace, E Comparées par mesures et calculs (en utilisant les wR et wT, et les fantômes anthropomorphes)

Grandeur physique Que peut-on mesurer ? Pour des faisceaux de : Elle décrit des phénomènes physiques et correspond à ce qui peut être directement mesuré. Que peut-on mesurer ? Type de particules ou nature du rayonnement Intensité de l’émission Énergie des particules Orientation Pour des faisceaux de : Photons (RX ou gamma) Bêta ou électrons Neutrons Fluence de particules,  = dN/da (m-2) Kerma, K = dEtr/dm (J.kg-1 ou Gy) Dose absorbée, D = dE/dm (J.kg-1 ou Gy)

Grandeur de protection Est calculée en utilisant les wR et wT, et les fantômes anthropomorphes en considérant l’orientation de l’individu. Dose absorbée moyenne à l’organe, T, due au rayonnement R : DR,T Dose équivalente à l’organe : HT wR = 1 pour les X,  et . Dose efficace : E Organe WT Gonades 0,20 Moelle osseuse (rouge) - Colon 0,12 Poumons - Estomac - Vessie 0,12 Seins - Foie 0,05 Œsophage - Thyroïde 0,05 Peau, surface des os 0,01 Autres tissus ou organes 0,05

Grandeur opérationnelle Est calculée à partir d’une grandeur physique en multipliant par un coefficient de conversion. Est mesurée par des dosimètres d’ambiance ou individuels. Est un estimateur (par excès) de la dose efficace. Particules Grandeur physique figurant au dénominateur des facteurs de conversion des grandeur opérationnelles Photons X et gamma Kerma dans l’air Bêta et électrons Dose absorbée dans les tissus Neutrons Fluence Équivalent de dose ambiant, H*(d) (Sv) Équivalent de dose directionnel, H’(d,) (Sv) Équivalent de dose individuel, Hp(d) (Sv)

Le fantôme MIRD Cerveau Le fantôme MIRD est conçu pour représenter un adulte de 70 kg ; d’autres fantômes ont été développés pour les enfants ou des organes spécifiques. La dose absorbée à l’organe est une dose moyenne, et non une dose en un point 24 cm Crâne Colonne Vertébrale 40 cm Poumons Côtes Cœur 70cm Foie Reins Vésicule biliaire Gros intestin Colon Intestin grêle Utérus/ovaires Bassin Vessie 80cm Testicules

Géométries d’irradiation d’un fantôme anthropomorphe D’après la publication 74 de la CIPR, 1997

1,5 Gy/Gy 0,2 Gy/Gy Dose absorbée (en Gy par unité de kerma dans l’air) au cristallin en fonction de l’énergie et de l’angle d’incidence de l’irradiation d’après rapport 47 ICRU

Les grandeurs opérationnelles surestiment E. Coefficients de conversion (Sv/Gy) pour les grandeurs opérationnelles et la dose efficace en fonction de l’énergie des photons pour une géométrie d’irradiation AP. Les grandeurs opérationnelles surestiment E. Elles permettent une estimation raisonnable de E. D’après la publication 74 de la CIPR, 1997

Irradiation AP Irradiation PA Thyroïde 15% Thyroïde 4% Irradiation AP Irradiation PA Contribution relative de certains organes à la dose efficace (wT.HT/E) en fonction de l’énergie dans le cas de photons incidents sur un fantôme anthropomorphe adulte (AP et PA).

Dose efficace par unité de kerma dans l’air (E/Ka) en fonction de l’énergie pour différents géométries d’irradiation (fantôme adulte).

Équivalent de dose individuel, Hp(d) C’est l’équivalent de dose dans les tissus mous, à une profondeur appropriée d (en mm), en un point spécifié du corps. Il s’exprime en sievert. Pour les rayonnements fortement pénétrants (RX > 15 keV), d = 10 mm : Hp(10) Pour les rayonnements faiblement pénétrants (RX < 15 keV et ), d = 0,07 mm pour la peau et 3 mm pour l’œil : Hp(0,07) ou Hp(3) Hp(d) peut être mesuré avec un dosimètre porté à la surface du corps. L’étalonnage du dosimètre est couramment effectué dans des conditions simplifiées en étant placé sur un fantôme approprié. L’indication du dosimètre placé sur un fantôme doit varier comme la grandeur de référence en fonction de l’angle d’incidence,  Dosimètre individuel 

Étalonnage des appareils de surveillance individuels Surveillance passive Dosimétrie opérationnelle Film dosimètre DTL Dosimètres électroniques … Étalonnage en équivalent de dose individuel, Hp(d) d = 10 mm pour les rayonnements fortement pénétrants d = 0,07 mm pour les rayonnements faiblement pénétrants unité : sievert (Sv) Grandeur définie dans les tissus et mesurée sur la personne  étalonnage devant un fantôme simulant la diffusion de la personne

Étalonnage des appareils de surveillance individuels En pratique, fantômes préconisés par l’ISO : Fantôme d’eau « plaque » pour le tronc 300 mm x 300 mm x 150 mm parois de PMMA de 2,2 mm pour la face avant et 10 mm pour les autres parois Fantôme d’eau « colonne » pour le bras ou la jambe cylindre de PMMA de diamètre 73 mm et de hauteur 300 mm parois de 2,5 mm d’épaisseur Fantôme « barreau » pour les doigts cylindre de PMMA de diamètre 19 mm et de hauteur 300 mm

Étalonnage des appareils de surveillance individuels Définition : Ensemble des opérations établissant, dans des conditions spécifiées, la relation entre les valeurs de la grandeur indiquée par l’appareil de mesure ou un système de mesure, … et les valeurs correspondantes de la grandeur réalisée par des étalons. Choisir les caractéristiques du faisceau (X ou ) étalonné en kerma dans l’air Choisir la distance source-point de mesure, d, (champ homogène et  > 30 cm) Déterminer les conditions atmosphériques de la salle Déterminer Kair au point d’étalonnage P situé à la distance d

Étalonnage des appareils de surveillance individuels Choisir le fantôme approprié Déterminer Hp(10) ou Hp(0,07) à partir des coefficients de conversion Kair  Hp(10) ou Hp(0,07) Exemples : Au 60 Co Hp(10)/Kair = 1,15 Avec RX (E = 10 keV) Hp(0,07)/Kair = 0,95 Placer le détecteur à étalonner contre la face avant du fantôme ( = 0) Noter l’indication L fournie par le détecteur Fantôme d’eau ou plaques de PMMA Faisceau de photons quasi parallèles Axe du faisceau primaire Détecteur Volume sensible du détecteur

Étalonnage des appareils de surveillance individuels – Réponse en énergie Variation en fonction de l’énergie des rapports Hp(10)/Ka pour le fantôme « tranche » et Hp(0,07)/Ka pour le fantôme cylindrique pour des photons mono énergétiques et mono directionnels.

Étalonnage des appareils de surveillance individuels – Réponse angulaire Variation du rapport Hp(10,)/Hp(10,0°) en fonction de l’angle d’incidence d’un faisceau de photons mono énergétiques et mono directionnels pour le fantôme « tranche ».

Étalonnage des appareils de surveillance individuels – Réponse angulaire Variation du rapport Hp(0,07,)/Hp(0,07,0°) en fonction de l’angle d’incidence d’un faisceau de photons mono énergétiques et mono directionnels pour le fantôme « cylindrique ».

Faisceaux de rayons X filtrés - Fantôme d’eau « plaque » -  = 0° Étalonnage des appareils de surveillance individuels – Coefficients de conversion Ils dépendent de l’énergie du faisceau et du fantôme (nature du matériau et forme). Publiés dans la norme ISO 4037/2 pour les faisceaux de rayons X (norme ISO 4037/1), le rayonnement  du cobalt 60 et du césium 137 et pour les photons mono énergétiques. Faisceaux de rayons X filtrés - Fantôme d’eau « plaque » -  = 0° Haute tension (kV) Énergie moyenne (keV) Hp(10)/Kair (Sv/Gy) Hp(0,07)/Kair Spectres larges 60 80 150 45 58 104 1,55 1,77 1,49 1,64 Spectres étroits 48 65 118 1,65 1,88 1,73 1,72 1,61

Étalonnage des appareils de surveillance individuels – Coefficients de conversion Faisceaux de photons mono énergétiques - Fantôme d’eau « plaque » -  = 0° Energie (keV) Hp(10)/Kair (Sv/Gy) Hp(0,07)/Kair 10 30 50 100 300 600 1000 Cs-137 Co-60 Am-241 0,01 1,11 1,77 1,81 1,37 1,23 1,17 1,21 1,15 1,89 0,95 1,63

Relation entre les grandeurs utilisée en radioprotection En pratique : Kerma dans l’air, Ka Équivalent de dose individuel, Hp(d) Dose efficace, E

Exemple d’étalonnage Conditions d’étalonnage Faisceau de référence T° : 23°C - P : 980 hPa - Humidité rel. : 38% Faisceau de référence Rayonnement : gammas du cobalt 60 Énergie nominale : 1,17 et 1,33 MeV Rayonnement : rayons X, CDA (mm) : 5,4 Cu Haute tension : 250 kV, énergie efficace = 215 keV Résultats Calibre "mGy" 1 Indication de l’appareil, L 0,86 0,66 Valeur d’équivalent de dose individuel Hp(10) 96,2.10-5 Sv 72,0.10-5 Sv Coefficient d’étalonnage, N Sv/"mGy" 1,12.10-3 1,09.10-3  Faisceau 60Co RX