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Chapitre 1 :Bases biophysiques
de l’utilisation des rayonnements dans les professions de santé
Professeur Jean-Philippe VUILLEZAnnée universitaire 2010/2011
Université Joseph Fourier de Grenoble - Tous droits réservés.
UE3-1 : Biophysique
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Deux types de raisons de s’intéresseraux rayonnements ionisants
• Conséquences des irradiations sur la santé• Utilisation des rayonnements ionisants en
médecine– Diagnostique– Thérapeutique
Quelles conséquences pour les patients ? Notion de bénéfice/risque
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Radioactivité, interactions des rayonnements avec la matière, dosimétrie, radiobiologie,
radioprotection
• Généralités• Rappels sur la radioactivité• Interactions des particules chargées avec la matière• Interaction des photons avec la matière• Détecteurs de rayonnements et spectrométrie • Dosimétrie• Radiobiologie• Radioprotection, optimisation, justification
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Connaître les conséquences et justifier la prescription d’un examen irradiant est une
obligation légale pour tout médecin…
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Le contexte…
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Radioactivité, interactions des rayonnements avec la matière, dosimétrie, radiobiologie, radioprotection
OBJECTIFS (1)1 – connaître l’origine et la nature des rayonnements auxquels sont
exposés les individus
2 – connaître les effets physiques et biologiques de ces rayonnements sur l’organisme
3 – connaître et interpréter les grandeurs dosimétriques
4 – comprendre les notions de dose et de débit de dose
5 – comprendre le calcul d’une dose reçue et savoir en estimer l’ordre de grandeur
6 – distinguer exposition et contamination
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Radioactivité, interactions des rayonnements avec la matière, dosimétrie, radiobiologie, radioprotection
OBJECTIFS (2)7 – être capable d’évaluer le risque lié aux radiations en tenant compte
de la dose reçue (risques déterministes et stochastiques)
8 – connaître les pathologies liées aux irradiations aiguës et chroniques
9 – connaître les principes de l’utilisation thérapeutique des rayonnements
10 – savoir expliquer les notions de justification et d’optimisation en matière de prescription d’un examen irradiant
11 – connaître les grandes règles de radioprotection pour le public, pour les personnels travaillant en zone contrôlée, et pour les patients
12 – connaître les principes de détection et de mesure des rayonnements, et du fonctionnement des détecteurs ; comprendre comment est obtenue une image scintigraphique
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Rayonnements- électromagnétiques (X,)- particules
Interactions avec la matière- inerte (détecteurs, radioprotection)- biologique +++
Dépôt d’énergie dans la matière
Effets biologiques
Dosimétrie
Radiobiologie
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1ère partie :Rappels sur la radioactivité
• Structure du noyau
AXZSymbole chimique (élément)Numéro atomique
(nb de protons)
Nombre de masse(nb de nucléons)
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La radioactivité
Définition :
« La radioactivité est la transformation d’un atome avec une émission de rayonnements »
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Rappels sur la radioactivité
• Radioactivité : résulte de l’instabilité du noyaude certains atomes
• Stabilité nucléaire : équilibre entre nombre de protons et nombre de neutrons
Relation entre A et Z
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Nb de protons
Nb de neutrons (Extrait de « Pour
la Science »)
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Radioactivité : notion d’isotope
ZXA
ZXA+1
A-1ZX
Z-1WA
Z+1YA+1
Z-1WA-1
Z+1YA+2
Z-1WA-2
Z+1YA
Z identique : isotopesA identique : isobares
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Excès de neutron(s)
• Un neutron se « transforme » en proton
• Il y a émission d’un électron• Désintégration
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Excès de neutron Désintégration -
+ +neutron proton électron antineutrino
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Radioactivité -
AXZ0e-1
AYZ+1+ +électron
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Hypothèse de l’antineutrino ( :nécessaire pour expliquer le spectre continu de l’énergie
des électrons -
Emoy Emax /3
Emax
Nb d’électrons émis par intervalle d’énergie
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2Énergie cinétique des électrons émis (MeV)
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Excès de proton(s) : 2 possibilités
• Un proton se « transforme » en neutron– Il y a émission d’un positon (et d’un
neutrino)
– Désintégration +
• Un proton se combine avec un électron pour donner un neutron– Pas de particule chargée émise (mais
émission d’un neutrino)– Capture électronique
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+ +neutronproton positon neutrino
Excès de proton Désintégration +
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Radioactivité +
AXZ0e+1
AYZ-1+ +positon
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Excès de proton Capture électronique
+neutronproton électron
+neutrino
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Capture électronique
AXZ0e-1
AYZ-1+ +
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Radioactivité
Particule= noyau d’hélium
(E 4 à 8 MeV)
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Radioactivité
AXZ4He2
A-4YZ-2+
2ARaZ
4He A-4RnZ-2+
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Après la transformation radioactive…
• Le noyau « fils » peut être totalement stable…
• … mais le plus souvent il est encore dans un état « excité », avec un excédent d’énergie
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Niveaux d’énergie du noyau du 41Sc
(en Mev)
Un noyau peut-être dans plusieurs états énergétiques
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Désintégration radioactive : phénomènes secondaires (1)
Le noyau « fils » est en général dans un état excité
• Dans tous les cas la désexcitation se fait :
– Soit par émission d’un photon gamma ()– Soit par émission d’un électron de conversion
interne
• Dans les cas des émetteurs de positons :– Il y a en plus un phénomène d’annihilation (e+e-)
avec émission de deux photons de 511 keV.
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Émission gamma ()
Photon (h)
= désexcitation du noyau
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Conversion interne= autre mode de désexcitation du noyau
(électron de conversion)
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F18e+
e-
511 keV
511 keV
Photons d’annihilation
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Désintégration radioactive : phénomènes secondaires (2)
Après désintégration radioactive, puis désexcitation du noyau,
le cortège électronique de l’atome est perturbé
• Ont pu se produire – Soit l’émission d’un électron (conversion interne)– Soit la capture d’un électron
• Dans les deux cas : création d’un « trou », d’où un réarrangement– Soit par émission d’un X de fluorescence
(monoénergétique)– Soit par émission d’un électron Auger
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Capture électronique
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Électron de conversion
Photon X (h)
Conversion interne
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Électron de conversion
Électron Auger
Conversion interne
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Remarque
• Les électrons émis par un atome radioactif sont de plusieurs types :– Provenant du noyau : rayonnement -
– Provenant du cortège électronique• Électrons de conversion interne
(désexcitation du noyau, alternative à l’émission d’un photon )
• Électrons Auger (désexcitation de l’atome, alternative aux rayons X de fluorescence)
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Schéma de désintégration
53I131
(8,05 jours)
364 keV
54Xe131
-
90,4 %
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Schéma de désintégration
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Décroissance et période radioactive
• Soit dN le nombre d’atomes qui se désintègrent durant la durée dt
• On a dN = - N.dt, si N est le nombre d’atomes radioactifs présents à l’instant t
• , constante radioactive, représente la probabilité de désintégration et s’exprime en s-1
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Décroissance et période radioactive
• dN = - N.dt
• En intégrant, si le nombre initial d’atomes est égal à N0 :
N = N0.e-t
• Ou : Ln N = - t + Ln N0
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Décroissance et période radioactive
• La période radioactive T est le temps au bout duquel la moitié des atomes se sont désintégrés
• t = T : N/N0 = ½ donc Ln(1/2) = - T
• Ln 2 = 0,693 = T
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Décroissance et période radioactive
• Ln 2 = 0,693 = T
• Donc T = 0,693/
• Et N = N0 . (1/2)t/T
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Décroissance et période radioactive
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Activité
• Unité :le Becquerel (Bq) = 1 désintégration par seconde
• kBq, MBq, GBq
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Mesure de la radioactivité
• Activité en becquerel (Bq) : quantité d’atomes radioactifs qui se désintègrent par unité de temps dans une source…
• 1 Bq = 1 désintégration par sec
• Anciennement le curie… 1 mCi = 37 000 000 Bq = 37 MBq
• Activité dose !!!
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Mesure de la radioactivité
• L’activité en becquerel (Bq)d’une source dépend de– La quantité d’atomes radioactifs dans cette
source…– La période (vitesse avec laquelle les
atomes se désintègrent)
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Pour conclure ce premier cours,et introduire les suivants :
deux types de rayonnements :• Les particules chargées
– Résultent de la radioactivité le plus souvent
– Épuisent la totalité de leur énergie dans la matière
– Directement ionisants
• Les photons (>13,6 eV) – Rayonnements électromagnétiques– Loi d’atténuation– INDIRECTEMENT ionisants
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