Interactions des rayonnements ionisants (RI) avec la matière et applications Pr E. Garin

1. Interactions des rayonnements ionisants (RI) avec la matière et applications Pr E. Garin Service de médecine nucléaire Centre Eugène Marquis

2. Plan du cours Introduction Particules chargées -Généralités -Légères -lourdes Particules neutres : rayonnements électromagnétiques (X, g) Application: radiothérapie métabolique

3. Introduction Interaction = transfert d’énergie RI = particules chargées ou non responsables d’ionisations Matière = noyaux positifs et électrons négatifs RI directement ionisants = particules chargées -       forces coulombiennes -       interactions obligatoires RI indirectement ionisants = particules non chargées : neutrons, X, g -       interactions aléatoires (stochastiques) -       ionisations indirectes par l’intermédiaire de particules secondaires chargées mises en mouvement

4. Différents types de RI : particules chargées. Rayonnements a: - noyau d’hélium (2 neutrons et 2 protons), - très énergétiques (plusieurs Mev), - fort pouvoir ionisant, - pouvoir de pénétration très faible : qq cm dans l’air, qq dizaines de mm dans l’eau ou les tissus mous, stoppés par une feuille de papier, trajectoire linéaire car masse importante (7000 x plus lourde qu’un électron). Rayonnements b: - électrons (b-) et positons (b+), - énergie très variable (de 0 à plusieurs Mev), - pouvoir ionisant intermédiaire, - pouvoir de pénétration faible : qq mètres dans l’air, qq mm dans l’eau et les tissus mous, stoppés par un obstacle mince (ex: feuille d’alu de qq millièmes à qq mm), trajectoire sinueuse (masse légère).

5. Différents types de RI : particules non chargées: Rayonnements électromagnétiques X et g: - radiations électromagnétiques d’origine atomique (X) ou nucléaire (g), - énergie variable (qq Kev à qq Mev, celle des X est souvent < à celle des g), - pouvoir ionisant faible, ionisations indirectes, - pouvoir de pénétration très important : plusieurs centaines de mètres dans l’air, traversent facilement l’organisme, stoppés par qq mm de plomb pour les X et jusqu’à plusieurs cm de plomb pour les g. Rayonnements neutroniques (neutrons), - énergie élevée, - pouvoir ionisant fort mais ionisations indirectes (collisions avec les noyaux), - pouvoir de pénétration très important : pratiquement pas ralentis par l’air, pénètrent profondément dans l’organisme puis absorption importante par les tissus mous, traversent les blindages.

6. Intérêt double : diagnostique et thérapeutique • Diagnostique : • - Radiographie • - scanner X • - scintigraphie (gamma et TEP) • Thérapeutique : • -radiothérapie externe • - radiothérapie interne : • o   curithérapie sources scellées • o   curithérapie métabolique (sources non scellées)

7. Scanner= utilisation des rayons X pour réaliser cartographie des coefficients d’atténuation de l’organisme Scintigraphie: utilisation des rayons g pour étudier une fonction de l’organisme

8. Radiothérapie métabolique : utilisation des rayonnements b- Lipiodol marqué à l’iode 131 (g de 365 kev, b- de 606 kev) 9 mois plus tard

9. Première partie: Interactions des particules chargées avec la matière.

10. A- Généralités 1- Elles mettent en jeu des particules légères (e-, e+) ou lourdes (protons, particules a+ +), 2- Interactions obligatoires, secondaires aux forces coulombiennes qui s’exercent entre ces particules chargées et la matière : F= k qq’/x2 avec : q et q’= les charges des particules, x = la distance qui les sépare k = constante de coulomb

11. F F= k qq’/x2 Sous l’influence de cette force qui varie en intensité et direction au cours de l’interaction : -        la particule cible est projetée dans une direction  et acquière une énergie Q prélevée à l’énergie cinétique T de la particule incidente -        la particule incidente est déviée d’un angle  et son énergie résiduelle après interaction est : T - Q

12. 3- Les interactions peuvent avoir lieu soit avec les électrons soit avec les noyaux : • -Interactions particules-électrons = collisions: • elles entraînent un transfert d’énergie à la matière responsable des effets produits sur le milieu • Interactions particules-noyaux = freinage: • elles sont responsables de la production de rayons X de freinage qui peuvent soit être diffusés soit interagire à leur tour avec la matière

13. 4- Interaction avec un électron de l’atome cible : ionisation, excitation, TEL, DLI. L’énergie cédée E par la particule incidente est cédée à un électron d’énergie de liaison El, trois cas peuvent se rencontrer : - E  El => ionisation - E < El => excitation - si E est très faible => dissipation thermique

14. Si E  El, => ionisation : • l’électron est éjecté de son orbite avec une énergie cinétique E – El, il se produit une ionisation et la création d’une paire d’ions (ion+ et électron). • Cet électron éjecté peut à son tour créer d’autres ionisations secondaires si son énergie est suffisante. • - L’ionisation est suivie d’un réarrangement du cortège électronique avec émission de fluorescence X. • ionisation • Ionisation = mécanisme fondamental pour les effets biologiques des rayonnements Particule chargée incidente

15. Réarrangement du cortège électronique  : - Création d’une place vacante - Comblement par un électron périphérique ou extérieur d’énergie de liaison Elc => 1) émission d’une énergie E= El- Elc : - diffusée, photon de fluorescence - transmise à un électron périphérique d’énergie de liaison < (El – Elc), qui est expulsé = Effet Auger - compétition entre les deux effets (fluorescence et Auger), noyaux lourds : fluorescence dominante noyaux légers (milieux biologiques) : Auger dominant => 2) nouvelle création de vacance électronique, nouveau réarrangement électronique…

17. Exemple : Pour ioniser une molécule d’eau il faut une énergie minimale (E) de 16 eV, et pour une ionisation il y a 3 excitations représentant une énergie d’également 16 eV. L’énergie globale transférée à la matière pour une ionisation est donc de 32 eV.

18. Si E < El, => excitation : - l’énergie transférée à l’électron est insuffisante pour l’expulser mais peut porter l’électron à un niveau énergétique supérieur (changement d’orbite) : il y a excitation de l’atome cible puis - retour à l’état fondamental par émission de rayons de fluorescence excitation - si E est très faible: il y a dissipation thermique (énergie de translation, rotation ou vibration des molécules) Particule chargée incidente

19. Répartition entre ionisations et excitations Distribution des ionisations et excitations dans l'eau pour 1 électron de 1 MeV et 50 keV A 50 keV la vitesse est plus faible, l’interaction est plus forte => il y a plus d’ionisations

20. Quantification de l’énergie transférée : notion de TEL et DLI Transfert d’énergie linéique ou TEL Le TEL est la quantité d’énergie transférée au milieu cible par la particule incidente par unité de longueur de trajectoire. Unité : keV mm-1 Pour des particules de vitesse faible devant la lumière on a : TEL = K q2 n Z/v2 avec: - k = constante - q = charge de la particule incidente - n = nb d’atomes de la cible par unité de volume - Z = numéro atomique de la cible - v = la vitesse de la particule incidente

21. A chaque interaction la particule transfère une partie de son énergie au milieu jusqu’à ce que sa vitesse soit nulle => une particule chargée donnée d’énergie donnée peut être totalement arrêtée par un écran de nature et d’épaisseur donnée. Le TEL diminue si v augmente (TEL= K q2 n Z/v2)

22. Densité linéique d’ionisation (DLI) ou ionisation spécifique On appelle DLI le nombre de paires d’ions créés par la particule incidente par unité de longueur. Unité= (paires d’ions) mm-1 On a : TEL = Wi.DLI où Wi = énergie moyenne transférée pour chaque ionisation

23. 5- Interaction avec le noyau- Bremsstrahlung Lorsqu’une particule chargée passe à proximité d’un noyau elle est soit attirée soit repoussée par le noyau, sa trajectoire est déviée et il y a un ralentissement de cette particule. Ce ralentissement est responsable d’une diminution de l’énergie cinétique de la particule qui est émise sous la forme d’un rayonnement dit de freinage ou rayonnement de Bremsstrahlung.

24. Si la particule passe loin du noyau elle est peu déviée, le ralentissement est faible et le rayonnement de freinage est de faible énergie, si elle passe très près du noyau elle est fortement déviée et freinée et le photon de freinage a une énergie élevée. Le spectre d’énergie du rayonnement de freinage est un spectre continu (par opposition au spectre de raie du rayonnement de fluorescence). Spectre du rayonnement de freinage (absorption par la cible des photons les moins énergétiques)

25. B- Interaction des particules légères (électrons, positons) avec la matière Importance fondamentale des électrons : - Les interactions entre les électrons et la matière sont responsables de l’énergie absorbée par la matière (effets biologiques) - rayonnement primaire (émission b-), - rayonnement secondaire (aux interactions entres les rayons X et g avec la matière),

26. Electrons et positons possèdent des caractéristiques voisines : • - vitesse de propagation élevée • interactions pouvant se rencontrer du même type • Dans l’eau le TEL est relativement faible pour des énergies supérieures à 1 Mev (TEL # 0.25 keV mm-1) et augmente fortement si l’énergie diminue (TEL # 2.5 keV mm-1 pour un électron de 10 keV)

27. - Les trajectoires des particules sont des lignes brisées (particules légères : changement important de direction à chaque interaction). Trajectoire des électrons - Dans l’eau la longueur totale de la trajectoire est approchée par la formule : Longueur (cm)= énergie initiale (Mev)/2 - dans un milieu de masse volumique  la trajectoire est approchée par la formule : Longueur (cm)= énergie initiale (Mev)/2, ( eng cm-3)

28. - La distance séparant le point d’entrée de la particule et son point terminal (< trajectoire) s’appelle « profondeur de pénétration moyenne » ou parcours moyen R.

29. Evolution d'un faisceau mono-énergétique d’électrons : • la profondeur de pénétration moyenne R est relativement variable (changement de direction aléatoire), • un faisceau est totalement arrêté par une épaisseur suffisante d’écran.

30. Par contre le positon va être responsable d’une réaction d’annihilation : Lorsque son énergie cinétique est proche de zéro, le positon interagit avec un électron, les deux particules disparaissent en donnant naissance à l’émission de 2 photons gamma de 511 keV, émis à 180° l’un de l’autre Réaction d’annihilation Annihilation des positons = interaction fondamentale permettant de réaliser un type particulier de scintigraphie : la tomographie d’émission de positons

31. Tomographie d’émission de positons: • utilisation d’un analogue du sucre marqué au fluor 18 (18F-FDG) • Captation par les cellules tumorales TEP au 18F-FDG Scintigraphie osseuse

32. C- Interaction des particules lourdes (a++) avec la matière Le TEL et la DLI de ces particules sont importants : Pour une énergie cinétique égale, leur vitesse est faible (TEL = K q2 n Z/v2) Courbe de Bragg dans l’air= évolution de l’ionisation spécifique en fonction du parcours

33. Les trajectoires sont quasi rectilignes (les particules sont peu déviées en raison de leur masse importante) Dans l’air le parcours moyen R est approché par la formule : R (cm)= 0.31 E3/2 E = énergie cinétique en MeV Dans un matériau de masse volumique rmat on a : Rmat = Rairrair/rmat, où r est en g cm-3

34. La profondeur de pénétration moyenne est sensiblement égale à la trajectoire qq cm dans l’air qq dizaines de mm dans les tissus mous Elles sont totalement arrêtées par une feuille de papier et la couche cornée Evolution d'un faisceau mono-énergétique de particules a++: la profondeur de pénétration moyenne R est presque constante, un faisceau est totalement arrêté par une épaisseur suffisante d’écran.

35. Deuxième partie: Interaction des particules neutres avec la matière: - rayonnements électromagnétiques ( X, g), Rappels -neutrons

36. Rappels : Rayonnements électromagnétiques (X, g) A- Atténuation 1- Atténuation dans le vide : Divergence dans l’espace d’un faisceau de photons émis par une source ponctuelle Loi géométrique : I = I0/ d2 I0 = intensité du faisceau à une distance unité prise comme référence I = intensité du faisceau à une distance « d » de la source

37. 2- Atténuation dans la matière : Atténuation d’un faisceau étroit de photons par interactions= - phénomène aléatoire -  disparition progressive du nombre de photons -  secondaire aux interactions élémentaires entre les photons et les électrons (et plus rarement entre les photons et les noyaux) - Soit le photon traverse la matière sans interagir - Soit il est totalement absorbé par la matière - Soit il cède une partie de son énergie et ressort avec une direction différente et une énergie plus faible = diffusion

38. Applications directes de l’atténuation des rayons X dans la matière Radiographies Scanner X => Renseignements anatomiques

39. B- Coefficients d’atténuation 1- Coefficient d’atténuation linéaire N0= nombre total de photons mono-énergétiques arrivant sur l’écran X = épaisseur d’écran en cm N (x) = N0 e -mx Décroissance Radioactive: activité d’une source au temps t : A(t) = A0 e-lt l= constante radioactive m = coefficient d’atténuation linéaire, unité= cm-1 il dépend : - de la nature du milieu - de la nature (énergie) des photons m = probabilité d’interaction par unité de longueur Libre parcours moyen R R = 1/m, en cm

40. 2- Coefficient massique d’atténuation En fait, m dépend de la nature et de l’état physique du matériau => définition d’un coefficient massique d’atténuation prenant en compte ce paramètre : m/, en cm2/g m = coefficient linéaire d'atténuation = masse volumique du matériau traversé On a alors : N (x) = N0 e –(m/) x où x a une dimension de masse surfacique (g/cm2)

41. C- Couche de demi atténuation ou CDA Définition : la CDA est l’épaisseur que doit avoir un écran pour que le nombre de photons transmis soit divisé par 2 N(CDA) =N0 e -mCDA = ½ N0 => e -mCDA = ½ => -mCDA = ln ½ => CDA = (ln2)/m Décroissance radioactive: Période T d’un radioélément = durée pour laquelle A(T) = A0/2 : T = (ln2)/l A(t) = A0 e-(ln2).t/T Valeurs de m, CDA, R et r pour certains matériaux

42. D- Principales interactions élémentaires 1- Effet photo-électrique Interaction photon/électron Le photon incident cède toute son énergie à un électron du milieu qui est expulsé et disparaît 2- Diffusion Campton (effet Campton) Le photon cède une partie de son énergie à un électron qui est éjecté, et ressort du milieu avec une énergie inférieure et une direction différente. L’effet photo-électrique et la diffusion Campton ne sont possibles que si l’énergie du photon incident (hn) est supérieure à l’énergie de liaison « El » de l’électron

43. Importance de l’effet photo-électrique et de la diffusion Campton : détection scintigraphique Image Photo multiplicateurs Rayons Gamma/X Fluorescence Cristal Ionisations Effet photo-électrique Electrons Collimateur Diffusion Campton 80 keV Patient 140 keV

44. Explorations Scintigraphiques Scintigraphie pulmonaire de perfusion : agrégats d’albumine humaine marqués au 99mTc => analyse de la perméabilité vasculaire Scintigraphie osseuse : dérivés phosphatés marqués au 99mTc => analyse de l’activité ostéoblastique => Renseignements métaboliques

45. Scanner : nodule pulmonaire hilaire, => 60% de malignité TEP au 18F-FDG : hyperconsommaton du sucre => 90% de malignité

46. Application en radiothérapie métabolique

47. Les unités en radiothérapie : dose absorbée et débit de dose a) Unité physique de dose absorbée. La dose absorbée D correspond à l’énergie déposée par le RI par unité de masse. D = dE/dm, en joule/Kg. D est exprimée en Gray (Gy) avec 1 Gy = 1 joule/Kg. => la dose absorbée dépend de la nature du RI considéré et de la nature des tissus irradiés Le débit de dose absorbée D correspond à la dose absorbée par unité de temps. D = dD/dt, en Gy/s. => Une même dose absorbée peut se rencontrer dans 2 situations totalement différentes : faible débit de dose et exposition prolongée, fort débit de dose et exposition brève

48. b) Unité biologique d’équivalent de dose. La dose absorbée ne permet pas à elle seule d’expliquer les effets biologiques des RI. D’autres paramètres interviennent tels que la nature des RI considérés et la nature des tissus irradiés. L’équivalent de dose H fait intervenir la nature des RI. H = D  Wr, en Sievert (Sv) et 1 Sv = 1 Gy où Wr = Facteur de qualité caractérisant le RI, Wr = 1 pour les X, les g, et les b, Wr = 5 à 20 pour les neutrons en fonction de leur énergie, Wr = 20 pour les a.

49. L’équivalent de dose efficace He fait intervenir la nature des RI et des tissus. He = D  Wr  Wt en Sv où Wt = Facteur de distribution caractérisant le milieu. Organes Wt Gonades 0.2 Moelle osseuse, Estomac 0.12 Colon, Poumons 0.12 Vessie, sein, foie 0.05 Œsophage, thyroïde 0.05 Peau, surface osseuse 0.1 Corps entier 1

50. Influence du débit de dose sur l’effet létal. Pour une même dose, l’effet des RI est plus important si le débit de dose augmente. Les variations sont importante entre 10-2 et 1 Gy/min. % cellules vivantes Débit dose Cette augmentation de l’effet pour des fort débits de dose s ’explique par la saturation des mécanismes de réparation de l’ADN.