Type de rayonnement et interactions avec le milieu Accélérateurs F. Crop

Résumé Types de rayonnements Interactions des photons et électrons avec la matière Photons: création Accélérateurs

1. Types de rayonnements Rayonnements Non-ionisant Ionisant Direct (e-, α, protons…) Indirect (γ, rayons-x, neutrons…) Ex: four micro-onde ; GSM

Non ionisant IRM - NMR Echo - Ultrasound

Atome Noyau: protons + neutrons (nucléons, A) Electrons ; = nombre de protons (Z)

Rayonnements ionisants radiations provoquant l’ionisation des atomes : électrons arrachés du cortège énergie > quelques eV Rayonnement Effets: ruptures de liaisons moléculaires Création de radicaux libres

Effets sur tissus

Types de rayonnements

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2. Interactions des photons: modes importants en radiologie/radiothérapie 1) Effet photoélectrique electron interaction prédominante pour les « faibles » énergies (< 300 keV) le photon est absorbé probabilité d’interaction dépend du Z (nombre de protons ou d’électrons de l’atome) plomb (Z élevé) utilisé pour le blindage photon

Interactions des photons: modes importants en radiologie/radiothérapie 2) Effet Compton interaction prédominante entre 300 keV et 25 MeV (=énergies en RT) une partie de l’énergie du photon est transférée à l’électron qui est éjecté le photon est dévié de sa trajectoire mais continue sa course ( rayonnement diffusé) photon

Interactions des photons: modes importants en radiologie/radiothérapie 3) Production de paires positon Interaction commence à 1.02 MeV et est importante et/ou prédominante pour énergies > 6 à 10 MeV Le photon est transformé dans un électron et positon. Son énergie est utilisé pour la création de paire electron-positon et ce qui reste est transférée vers ces 2 particules Le photon est absorbé photon electron

Interactions des photons: modes de faible importance Rayleigh scattering Thomson scattering Intéractions photonucléaires (<10MeV) Négligables:

Interactions des photons atténuation sous l’effet des différentes interactions, l’intensité d’un faisceau incident diminue exponentiellement avec la profondeur traversée I(x) = I0 e−μx coefficient d’atténuation linéaire μ : dépend du type de milieu (densité, composition) et de l’énergie du faisceau

Interactions des électrons perdent leur énergie par collisions successives, suivant des parcours beaucoup plus sinueux Exprimé dans « pouvoir d’arrêt »:

Interactions des électrons perdent leur énergie par collisions successives, suivant des parcours beaucoup plus sinueux Exprimé dans « pouvoir d’arrêt »: e- photons

Concept de dose Eabs D = Masse 1 Gy = 1 J / kg (1 J = 6.24 x 1018 eV) on définit la dose absorbée comme la quantité d’énergie déposée par unité de masse du milieu absorbant D = Eabs Masse 1 Gy = 1 J / kg (1 J = 6.24 x 1018 eV) Définition SI 1974! (« rad »: ancien unité, 1951, mais non-SI)

Interactions rayonnement-matière Différence fondamentale entre photons et électrons les électrons déposent leur énergie localement à la suite de collisions : on dit que l’énergie est absorbée → contribution directe à la dose !! les photons transmettent leur énergie à des électrons qui la déposeront ensuite dans le milieu : l’énergie est transférée → contribution indirecte à la dose e- → la dose est toujours donnée par les électrons ! RX

Résumé Types de rayonnements Interactions des photons et électrons avec la matière Photons: création Accélérateurs

Photons

Photons: création Rayon-X caractéristique Gamma Annihilation Transition entre échelles atomaire Gamma Transitions nucléaire: radioactivité Annihilation e- et e+  2*γ Bremsstrahlung (rayonnement de freinage) Intéraction e- avec noyau

Photons: origine Rayon-X caractéristique

Radioactivité Le processus où un noyau instable décrois dans une nouvelle configuration nucléaire (qui peut être stable ou instable) Si instable, le processus peut continuer jusqu’à qu’il y a une configuration stable atteint Henri Becquerel 1896

Radioactivité Activité: Unité: Bq = 1/s Ancien unité: « curie »: 1 Ci = 3.7x1010 1/s Cf: activité de 1 g de Ra-226 Mais en réalité 0.988 Ci Décroissance de P en D:

Radioactivité - sources Curiethérapie « Téléthérapie »: source Cobalt Médecine Nucléaire

Médecine Nucléaire SPECT PET

Radioactivité Modes de décroissance: α β (β+, β-, Electron Capture) γ (γ et conversion interne) Fission spontané

Radioactivité: exemples T1/2: 5.3 ans

Cobalt - Cs

Photons: origine Bremsstrahlung

Tube à rayons-X

Computed Tomograpy - CT Tube à rayons-X Radiography - RX Computed Tomograpy - CT

Accélérateur linéaire

Accélérateur linéaire première étape : production et accélération du faisceau d’électrons (focalisé) canon à électrons : production et pré-accélération à 50 keV tube : accélération (→ MeV) par interaction avec ondes électromagnétiques résonantes déviation : le faisceau est dévié de 90° par un aimant

deuxième étape : traitement du faisceau

deuxième étape : traitement du faisceau en mode photons : le faisceau d’électrons vient frapper une cible en tungstène but : production de rayonnement de freinage (« bremsstrahlung »)   = rayons X (photons) spectre d’énergie continu dont le maximum est égal à l’énergie du faisceau d’électrons de départ le faisceau de photons produit a une distribution d’intensité non-isotrope (dirigée vers l’avant) en mode électrons: la cible est déplacée hors de la trajectoire du faisceau on garde donc un faisceau d’électrons focalisé

deuxième étape : traitement du faisceau en mode photons : le faisceau passe dans un cône égalisateur but : obtenir une distribution d’intensité homogène (profil de dose plat) en mode électrons: le faisceau d’électrons passe dans un diffuseur but : passer d’un faisceau focalisé à un faisceau divergent

deuxième étape : traitement du faisceau chambre moniteur but : chambre d’ionisation permettant de mesurer la dose délivrée pendant l’irradiation et d’arrêter le faisceau (mesure les UM) en conditions de référence, 100 UM = 1 Gy

deuxième étape : traitement du faisceau collimation secondaire (mâchoires, collimateur multilames MLC, applicateurs d’électrons) + filtres en coin but : définir la taille et la forme du faisceau délivré au patient MLC pour les photons (trajectoires rectilignes) : forme du faisceau filtres en coin pour les photons : déformation isodoses applicateurs et caches plombés pour les électrons (trajectoires sinueuses)