F. Giammarile – PCEM1 – P I – Ch. 4 (Rayonnements et matière) 1 Dosimétrie, radiobiologie et radioprotection 1. DOSIMETRIE ............................................................................................................................................................................................. 2 1.1. CARACTERE PHYSIQUE D’UN FAISCEAU DE PHOTON ................................................................................................................................ 2 1.1.1. DISTRIBUTION SPECTRALE........................................................................................................................................................................ 2 1.1.2. PARAMETRES ENERGETIQUES ................................................................................................................................................................... 2 1.1.3. TRANSFERT D’ENERGIE ENTRE UN FAISCEAU DE PHOTONS ET LA MATIERE .............................................................................................. 3 1.2. UNITES DE MESURES DE DOSES .................................................................................................................................................................. 4 1.2.1. LE KERMA ................................................................................................................................................................................................ 4 1.2.2. LA DOSE ABSORBEE .................................................................................................................................................................................. 5 1.2.3. LA DOSE D’EXPOSITION ............................................................................................................................................................................ 5 1.2.4. LA DOSE EQUIVALENTE ............................................................................................................................................................................ 5 1.2.4. LA DOSE EFFICACE.................................................................................................................................................................................... 6 1.2.5. EFFICACITE BIOLOGIQUE RELATIVE .......................................................................................................................................................... 6 2. RADIOBIOLOGIE...................................................................................................................................................................................... 7 2.1. PHENOMENES PHYSIQUES INITIAUX .......................................................................................................................................................... 8 2.1.1. DISTRIBUTION DE LA DOSE ....................................................................................................................................................................... 8 2.1.2. MICRODOSIMETRIE ................................................................................................................................................................................. 10 2.2. PHENOMENES RADIOCHIMIQUES............................................................................................................................................................. 10 2.2.1. RADIOCHIMIE DE L’EAU.......................................................................................................................................................................... 10 2.2.2. RADIOCHIMIE DES COMPOSES ORGANIQUES ........................................................................................................................................... 11 2.2.3. LESIONS MOLECULAIRES AU NIVEAU CELLULAIRE ................................................................................................................................. 12 2.2.4. LESIONS MOLECULAIRES AU NIVEAU NUCLEAIRES ................................................................................................................................. 13 2.2.5. EFFETS CHROMOSOMIQUES DES RAYONNEMENTS................................................................................................................................... 15 2.3. CONSEQUENCE D’UNE IRRADIATION AU NIVEAU CELLULAIRE .............................................................................................................. 16 2.3.1. EFFETS DES IRRADIATIONS « IN VIVO »................................................................................................................................................... 16 2.3.2. COURBES DE SURVIE CELLULAIRE .......................................................................................................................................................... 17 2.3.3. FACTEURS PHYSIQUES JOUANT SUR LA SENSIBILITE CELLULAIRE ........................................................................................................... 19 2.3.4. FACTEURS BIOCHIMIQUES JOUANT SUR LA SENSIBILITE CELLULAIRE ..................................................................................................... 19 2.3.5. FACTEURS CELLULAIRES JOUANT SUR LA SENSIBILITE CELLULAIRE ....................................................................................................... 20 2.4. EFFETS AU NIVEAU TISSULAIRE............................................................................................................................................................... 21 2.4.1. TISSUS COMPARTIMENTAUX ................................................................................................................................................................... 21 2.4.2. TISSUS NON COMPARTIMENTAUX ........................................................................................................................................................... 21 2.5. EFFETS AU NIVEAU DES ORGANES ........................................................................................................................................................... 22 2.5.1. LES EFFETS LIES A LA MORT CELLULAIRE ............................................................................................................................................... 22 2.5.2. LES EFFETS LIES A LA REPARATION FAUTIVE VIABLE.............................................................................................................................. 22 2.6. EFFETS AU NIVEAU DE L’ORGANISME (RADIOPATHOLOGIE).................................................................................................................. 22 2.6.1. L’INSUFFISANCE ORGANIQUE ................................................................................................................................................................. 22 2.6.2. LES CANCERS RADIOINDUITS .................................................................................................................................................................. 23 3. RADIOPROTECTION ............................................................................................................................................................................. 24 3.1. RADIOACTIVITE NATURELLE ET ARTIFICIELLE...................................................................................................................................... 24 3.1.1. RADIOEXPOSITIONS ................................................................................................................................................................................ 24 3.1.2. RADIOACTIVITE NATURELLE .................................................................................................................................................................. 24 3.1.3. RADIOACTIVITE ARTIFICIELLE ................................................................................................................................................................ 25 3.2. EFFETS PATHOLOGIQUES DES RAYONNEMENTS IONISANTS ................................................................................................................... 25 3.2.1. EFFETS DETERMINISTES .......................................................................................................................................................................... 25 3.2.2. EFFETS STOCHASTIQUES ......................................................................................................................................................................... 26 3.3. FONDEMENTS DE LA RADIOPROTECTION ................................................................................................................................................ 26 3.3.1. DEFINITIONS ........................................................................................................................................................................................... 26 3.3.2. PRINCIPES FONDAMENTAUX DE LA RADIOPROTECTION .......................................................................................................................... 27 3.3.3. FACTEURS DE PROTECTION ..................................................................................................................................................................... 27 3.4. APPLICATION DE LA RADIOPROTECTION ................................................................................................................................................ 27 3.4.1. RADIOPROTECTION DE LA POPULATION .................................................................................................................................................. 27 3.4.2. RADIOPROTECTION PROFESSIONNELLE ................................................................................................................................................... 28 3.4.3. RADIOPROTECTION DU PATIENT ............................................................................................................................................................. 28
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F. Giammarile – PCEM1 – P I – Ch. 4 (Rayonnements et matière) 1
Dosimétrie, radiobiologie et radioprotection
1. DOSIMETRIE ............................................................................................................................................................................................. 2 1.1. CARACTERE PHYSIQUE D’UN FAISCEAU DE PHOTON ................................................................................................................................ 2 1.1.1. DISTRIBUTION SPECTRALE........................................................................................................................................................................ 2 1.1.2. PARAMETRES ENERGETIQUES ................................................................................................................................................................... 2 1.1.3. TRANSFERT D’ENERGIE ENTRE UN FAISCEAU DE PHOTONS ET LA MATIERE .............................................................................................. 3 1.2. UNITES DE MESURES DE DOSES .................................................................................................................................................................. 4 1.2.1. LE KERMA ................................................................................................................................................................................................ 4 1.2.2. LA DOSE ABSORBEE .................................................................................................................................................................................. 5 1.2.3. LA DOSE D’EXPOSITION ............................................................................................................................................................................ 5 1.2.4. LA DOSE EQUIVALENTE ............................................................................................................................................................................ 5 1.2.4. LA DOSE EFFICACE.................................................................................................................................................................................... 6 1.2.5. EFFICACITE BIOLOGIQUE RELATIVE .......................................................................................................................................................... 6
2. RADIOBIOLOGIE...................................................................................................................................................................................... 7 2.1. PHENOMENES PHYSIQUES INITIAUX .......................................................................................................................................................... 8 2.1.1. DISTRIBUTION DE LA DOSE ....................................................................................................................................................................... 8 2.1.2. MICRODOSIMETRIE ................................................................................................................................................................................. 10 2.2. PHENOMENES RADIOCHIMIQUES............................................................................................................................................................. 10 2.2.1. RADIOCHIMIE DE L’EAU.......................................................................................................................................................................... 10 2.2.2. RADIOCHIMIE DES COMPOSES ORGANIQUES ........................................................................................................................................... 11 2.2.3. LESIONS MOLECULAIRES AU NIVEAU CELLULAIRE ................................................................................................................................. 12 2.2.4. LESIONS MOLECULAIRES AU NIVEAU NUCLEAIRES ................................................................................................................................. 13 2.2.5. EFFETS CHROMOSOMIQUES DES RAYONNEMENTS................................................................................................................................... 15 2.3. CONSEQUENCE D’UNE IRRADIATION AU NIVEAU CELLULAIRE .............................................................................................................. 16 2.3.1. EFFETS DES IRRADIATIONS « IN VIVO »................................................................................................................................................... 16 2.3.2. COURBES DE SURVIE CELLULAIRE .......................................................................................................................................................... 17 2.3.3. FACTEURS PHYSIQUES JOUANT SUR LA SENSIBILITE CELLULAIRE ........................................................................................................... 19 2.3.4. FACTEURS BIOCHIMIQUES JOUANT SUR LA SENSIBILITE CELLULAIRE ..................................................................................................... 19 2.3.5. FACTEURS CELLULAIRES JOUANT SUR LA SENSIBILITE CELLULAIRE ....................................................................................................... 20 2.4. EFFETS AU NIVEAU TISSULAIRE............................................................................................................................................................... 21 2.4.1. TISSUS COMPARTIMENTAUX ................................................................................................................................................................... 21 2.4.2. TISSUS NON COMPARTIMENTAUX ........................................................................................................................................................... 21 2.5. EFFETS AU NIVEAU DES ORGANES ........................................................................................................................................................... 22 2.5.1. LES EFFETS LIES A LA MORT CELLULAIRE ............................................................................................................................................... 22 2.5.2. LES EFFETS LIES A LA REPARATION FAUTIVE VIABLE.............................................................................................................................. 22 2.6. EFFETS AU NIVEAU DE L’ORGANISME (RADIOPATHOLOGIE).................................................................................................................. 22 2.6.1. L’INSUFFISANCE ORGANIQUE ................................................................................................................................................................. 22 2.6.2. LES CANCERS RADIOINDUITS .................................................................................................................................................................. 23
3. RADIOPROTECTION ............................................................................................................................................................................. 24 3.1. RADIOACTIVITE NATURELLE ET ARTIFICIELLE...................................................................................................................................... 24 3.1.1. RADIOEXPOSITIONS ................................................................................................................................................................................ 24 3.1.2. RADIOACTIVITE NATURELLE .................................................................................................................................................................. 24 3.1.3. RADIOACTIVITE ARTIFICIELLE ................................................................................................................................................................ 25 3.2. EFFETS PATHOLOGIQUES DES RAYONNEMENTS IONISANTS ................................................................................................................... 25 3.2.1. EFFETS DETERMINISTES.......................................................................................................................................................................... 25 3.2.2. EFFETS STOCHASTIQUES ......................................................................................................................................................................... 26 3.3. FONDEMENTS DE LA RADIOPROTECTION ................................................................................................................................................ 26 3.3.1. DEFINITIONS ........................................................................................................................................................................................... 26 3.3.2. PRINCIPES FONDAMENTAUX DE LA RADIOPROTECTION .......................................................................................................................... 27 3.3.3. FACTEURS DE PROTECTION ..................................................................................................................................................................... 27 3.4. APPLICATION DE LA RADIOPROTECTION ................................................................................................................................................ 27 3.4.1. RADIOPROTECTION DE LA POPULATION .................................................................................................................................................. 27 3.4.2. RADIOPROTECTION PROFESSIONNELLE ................................................................................................................................................... 28 3.4.3. RADIOPROTECTION DU PATIENT ............................................................................................................................................................. 28
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1. Dosimétrie
1.1. Caractère physique d’un faisceau de photon
Un faisceau de photons gamma (ou X) est caractérisé par sa distribution spectrale et
ses paramètres énergétiques.
1.1.1. Distribution spectrale
La distribution spectrale dépend de la nature physique de la source : un tube à
rayons X va émettre un spectre continu, alors qu’une source radioactive va émettre
un spectre discontinu de raies d’énergie quantifiée.
Pour la suite, on considérera un faisceau monochromatique.
1.1.2. Paramètres énergétiques
Flux énergétique (Φ)
Quantité d'énergie traversant une surface par unité de temps. Il s’agit donc de la
puissance totale émise par le faisceau (exprimée en Watts).
Intensité énergétique (I)
L’intensité énergétique se mesure dans une direction donnée (ici SP), en Watts/strd :
ΩΦ=d
dISP
avec : dΩ unité d’angle solide, en stéradians
Energie (W)
L’énergie (en Joule) transportée par le faisceau durant le temps d’irradiation T est :
dttW
T
⋅Φ= ∫ )(0
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Eclairement énergétique (Ep)
Au point P (densité surfacique de puissance), l’éclairement énergétique en Watts/m2
est :
dS
dEP
Φ=
Fluence énergétique (Fp)
Au point P (densité surfacique d’énergie), la fluence énergétique en Joules/m2 est :
dtEdS
dWF
T
PP ⋅== ∫0
1.1.3. Transfert d’énergie entre un faisceau de pho tons et la matière
Dans le vide
Il n’y a pas d’absorption (µ, coefficient d’atténuation linéaire = 0).
Ainsi, Φ est constant et 2R
dSd ≈Ω : 2R
Ik
dS
IdE =Ω=
Ep et Fp dépendent de R (rayon : distance avec la source).
Dans un milieu
xe ⋅−⋅Φ=Φ µ0
Au point P, il existe non seulement les photons du faisceau incident, mais également
les photons diffusés, dont la direction de propagation et la distribution spectrale sont
différentes.
La surface diamétrale d’une sphère de rayon dr centrée en P, est :
2)(drdS ⋅= π
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Les rayons qui traversent la surface diamétrale dS sont les rayons primaires
provenant de la source et les rayons diffusés (avec des longueurs d’ondes
différentes) provenant du dehors de la sphère.
Soient dΦ le flux énergétique de tous les photons primaires et secondaires qui
traversent cette surface et dW l’énergie transportée par tous les photons pendant la
durée de l’irradiation, nous avons :
⋅==
⋅Φ=Φ=
2
2
)(
)(
dr
dW
dS
dWF
dr
d
dS
dE
p
p
π
π
1.2. Unités de mesures de doses
1.2.1. Le Kerma
L’énergie cinétique transférée par unité de masse est le Kerma (Kinetic Energy
Released per unit MAss), K.
Soit une sphère de rayon dr centrée en P, de masse dm :
• dWe est la quantité d’énergie entrant pendant le temps d’irradiation
• dWs est la quantité d’énergie sortant pendant le même temps
Le Kerma mesure l’énergie transférée dWt à l’intérieur de la sphère par des
évènements produits dans la sphère (une partie de l’énergie transférée à l’électron
par ionisation peut sortir de la sphère).
dm
dWK t= en Gray (1Gy = 1J/Kg)
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1.2.2. La dose absorbée
La dose absorbée est la quantité d’énergie effectivement absorbée dans la sphère
par unité de masse (à partir d’électrons mis en mouvement dans la sphère ou en
dehors).
dm
dWD aa = en Gray (1Gy = 1J/Kg)
A noter que K = Da uniquement en cas d’équilibre électronique dans la sphère.
Le débit de dose absorbée est alors :
dt
dDJ aa = en Gray/heure
1.2.3. La dose d’exposition
En général, la dose absorbée n’est pas mesurable directement. On mesure donc la
dose d’exposition dans l’air, pris comme milieu de référence. Dans ce milieu, l’unité
s’exprime habituellement par le nombre d’ionisations créées (en Coulomb par kg).
Le débit de dose d’exposition sert à déterminer l’intensité d’une source :
dt
dDJ ee = en Coulomb/kg/heure
1.2.4. La dose équivalente
La dose absorbée moyenne DR,T reçue par un tissu T, due au rayonnement R ne
tient pas compte des caractéristiques physiques de ce rayonnement (T.L.E. et D.L.I.).
La dose équivalente H équivaut alors à la dose absorbée pondérée par un facteur w
qui prend en compte la nature des rayonnements R. Elle représente donc mieux la
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toxicité biologique du rayonnement, mais n’a de sens qu’à faible dose. Elle s’exprime
en Sievert (1Sv = 1J/Kg) :
∑=R
TRRT GyDwSvH )(.)( ,
Type de rayonnement Facteur de pondération, W R X, γ, électrons, β 1 protons 5 neutrons 5 à 20 (moyenne 10) α 20
1.2.4. La dose efficace
La dose équivalente ne tient pas compte du type de tissu. La dose efficace est alors
un indicateur global de l’exposition de l’individu, défini par la somme des doses
équivalente reçues au niveau des différents organes, pondérées par un facteur qui
prend en compte la sensibilité des différents tissus. Elle est conçue pour évaluer un
risque global mais ne tient pas compte du débit de dose (ni de l’âge). Elle s’exprime
également en Sv :
)(H .w(Sv) E T
T
T Sv∑=
Tissu ou organe Facteur de pondération, W T
Gonades 0,20 Poumons - Estomac - Moelle osseuse - Colon 0,12 x 4 Seins - Foie - Œsophage – Thyroïde - Vessie 0,05 x 5 Peau - Os 0,01 x 2 Autres tissus ou organes 0,05 Total 1
1.2.5. Efficacité biologique relative
L’E.B.R. est le rapport des doses nécessaires à deux rayonnements différents pour
obtenir les mêmes effets biologiques. Ce rapport doit être déterminé dans les mêmes
conditions d’irradiation (débit de dose, oxygénation, fractionnement de la dose...).
D
DRBE 0... =
avec : D0 dose équivalente du rayonnement de référence en sievert
D en grays
E.B.R. sans dimension
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2. Radiobiologie
La radiobiologie étudie les effets des rayonnements ionisants sur la matière vivante.
Les effets biologiques des radiations sont le résultat final d’une chaîne d’évènements
physiques initiaux et de transformations chimiques déclenchés par les ionisations et
qui aboutit à endommager les grosses molécules indispensables à la vie cellulaire.
Ces effets ont lieu en 3 phases :
• phase des réactions élémentaires très précoces (<10-15s) avec les
phénomènes physiques et radiochimiques ;
• phase des réactions chimiques (<10-5s)
• phase des modification des structures et des fonctions biologiques (environ
quelques minutes à quelques années).
Effets des rayonnements ionisants en fonction du temps
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2.1. Phénomènes physiques initiaux
Les rayonnements transfèrent leur énergie à la matière en la traversant par
ionisations et excitations des atomes (les transferts thermiques sont négligeables :
un rayonnement de 10 Gy comporte une élévation thermique tissulaire de 0,002° C).
2.1.1. Distribution de la dose
Particules chargées lourdes
La distribution de la dose présente une forme caractéristique, dite courbe de Bragg,
avec un pic étroit très prononcé en fin de parcours (lorsque l’énergie cinétique des
particules devient inférieure à une dizaine de MeV).
Faisceaux d’électrons
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Le pouvoir de ralentissement des électrons est à peu près constant dans un très
large domaine d’énergie et n’augmente notablement qu’en fin de parcours lorsque
l’énergie devient inférieure à environ 10 keV.
Faisceaux de photons (X et γ)
La dose est délivrée par les électrons secondaires mis en mouvement par les
photons. Elle diminue en profondeur du fait de la disparition progressive
(exponentielle) des photons, d’autant plus lentement que leur énergie est élevée.
Pour les photons de haute énergie, les électrons secondaires, également de haute
énergie, ont une DLI faible et inversement pour les photons de basse énergie.
Pour les photons de haute énergie, on observe un accroissement initial de la dose
sous la surface d’entrée, dû à l’accumulation des électrons secondaires (quelques
millimètres pour les γ du Cobalt 60 (1,17 et 1,33 MeV) et quelques centimètres pour
des RX de 20 MeV).
Neutrons rapides
Les neutrons rapides, dont l’énergie cinétique est de quelques MeV à quelques
dizaines de MeV, sont ralentis essentiellement par des chocs élastiques sur les
noyaux d’hydrogène. La distribution de la dose en profondeur a un aspect
comparable à celle des photons.
Distribution de la dose en profondeur dans des faisceaux de photons et de neutrons
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2.1.2. Microdosimétrie
La microdosimétrie est basée sur le principe que l’effet biologique est lié à la quantité
d’énergie qui a été déposée dans une structure élémentaire de très petite dimension
par un « évènement » (passage d’une particule). Or, à l’échelle microscopique,
l’énergie absorbée n’est pas distribuée de façon uniforme, mais elle est localisée au
voisinage des trajectoires des particules.
La distribution des évènements fournit une représentation de l’effet physique, en
tenant compte de tous les phénomènes aléatoires qui intéressent les transferts
discontinus (ponctuels) d’énergie, lors des rencontres avec les électrons du milieu, et