Chapitre I
LES INTERACTIONS RAYONNEMENT ET MATIERE,
GRANDEURS,
UNITEES ET CARACTERISTIQUES
DOSIMETRIQUES
CHAPITRE I
INTERACTION RAYONNEMENT MATIERE ET GRANDEURS, UNITES
ET
PARAMETRES DOSIMETRIQUES
I.1. Introduction :
Les photons sont des rayonnements indirectement ionisants qui
créent desparticules chargées (électrons et positrons)
dans le milieu ; ces particules chargées, à leur tour, vont
ioniser le milieu.
Les interactions prépondérantes des photons de
hautes énergies utilisés en radiothérapie avec le tissu
sont : effet Compton entre 0.3-20 MeV et création de paires
au-delà de 20MeV.Toutes ces interactions conduisent à la
production d?électrons de hautes énergies. , cause de leur charge
électrique, les électrons interagissent avec les électrons
périphériques des atomes du milieu, et par conséquent
l?électron peut ioniser plusieurs atomes sur son trajet. Les
électrons sont arrêtés dans le tissu et leur parcours est
proportionnel à leur énergie initiale. Autrement dit, les
électrons sont vite absorbés et déposent toute leur
énergie dans le tissu sous forme d?ionisations ; ceci permet d?atteindre
des doses importantes nécessaires pour la stérilisation des
tumeurs. Les photons sont atténués exponentiellement avec la
distance.
L?effet biologique sur le tissu est proportionnel aux
ionisations crées. Donc, même si les photons sont utilisés
en radiothérapie, ce sont les électrons créés dans
le tissu qui sont responsables des dommages au niveau de la cellule vivante.
L?utilisation des faisceaux de rayonnements ionisants en
routine clinique pour le traitement des cancers requiert la définition
de fonctions dosimétriques qui les caractérisent. Une combinaison
appropriée de ces fonctions va nous permettre de calculer le
débit de dose en n?importe quel point dans le fantôme à
partir du débit de dose de référence de l?appareil de
traitement.
I.2. Classification des rayonnements :
On peut classer les rayonnements en deux catégories selon
leurs natures et selon leurs effets sur la matière.
La figure ci-dessous résume les différents types de
rayonnements :
Figure I. 1 classification des rayonnements I.3.
Interactions photon-matière :
Le terme « photon » s?applique aux rayonnements
électromagnétiques émis soit dans les transitions
nucléaires « rayons ã », soit dans les transitions
atomiques « rayons X ». Lors de la traversée d?un milieu
matériel quelconque, tout photon a une certaine probabilité
d?interagir avec ce milieu. Cette interaction peut ~tre classée selon
:[ATT87]
ü la nature d?interaction : photon/électron ou
photon/noyau,
ü le type de l?événement produit :
l?absorption, la diffusion ou la production des paires.
I.3.1. / '111111114343él111111TX11 :
Le photon entre en collision avec un électron des couches
internes de l?atome. L?énergie E du photon incident est
transférée jà l?électron qui est
éjecté de sa couche. Une partie de cet énergie est
utilisée pour «extraire» l?électron interne
(énergie de liaison W); l?excédent
d?énergie se retrouve sous forme d?énergie
cinétique Ecin de l?électron éjecté (E =
W+Ecin).[ATT87]
L?effet photoélectrique ne peut avoir lieu que si
l?énergie du photon incident est supérieure à
l?énergie de liaison de l?électron. Le retour de l?atome à
l?état fondamental s?accompagne d?une émission de photon de
fluorescence ou d?un électron Auger.
Figure I. 2. Effet photoélectrique
Le photon de fluorescence est émis lorsqu'un
électron des couches supérieures prend la place de
l'électron éjecté. Parfois, pour des milieux de Z
petit, le photon de fluorescence produit un nouvel effet avec
émission d'un électron: c'est l'effet Auger.
La probabilité d'avoir un effet
photoélectrique entre le rayonnement
électromagnétique et la matière est décrite
par la section efficace de l'effet photoélectrique
qui dépend fortement de l'énergie du photon incident et du
numéro atomique Z du milieu absorbeur.
I.3.2. L'effet Compton :
Le photon incident interagit avec un électron, mais
cet électron à une énergie de liaison beaucoup plus faible
que celle impliquée dans l'effet photoélectrique. La diffusion
Compton concerne donc des électrons moins liés, l'électron
cible est expulsé dans une direction donnée, C?est
l'électron Compton. Le photon incident est diffusé dans une
direction qui fait un angle avec la direction de l'électron Compton.
Lorsque l'énergie du photon incident croît, l'énergie
emportée par l'électron Compton devient de plus en plus
importante par rapport à celle du photon
diffusé. [ATT87]
Figure I. 3. Effet Compton. I.3.3. Effet de
création de paires (e-, e+) :
L?effet de matérialisation se produit à
énergie élevée (E > 2.0, 511MeV). Le photon
pénétrant dans le champ Coulombien d?un noyau se
matérialise sous forme d?une paire électron positron (e-, e+).
L?électron et le positron sont ralentis dans la matière
environnante. A la fin de son parcours, le positron interagit avec un
électron et s?annihile ce qui engendre l?émission de deux photons
de 511 kV. Les lois de conservation du moment cinétique font que ces
deux photons sont émis dans des directions
opposées.[ATT87][CUN83]
Figure I. 4. Création de paire I.3.4.
Importance relative des trois effets
La Figure I.5nous montre clairement l?importance
relative de l?effet photoélectrique, effet Compton et effet de
création de pair et cela en fonction de l?énergie des photons
incidents et numéro atomique Z du matériau
atténuant.[CUN83] [KNO79]
Figure I. 5. Délimitation des domaines
d'énergie de prédominance des trois interactions
principales
des photons avec la matière : effet photoélectrique, effet
Compton et effet création de
paire en fonction du numéro
atomique du milieu traversé. L'interaction Compton est
prédominante
dans le tissu mou (plus de 70% d'eau, Z 7.5) pour les
photons de hautes énergies.
I.4. Grandeurs et unités
dosimétriques
La dosimétrie a pour but de déterminer
l?énergie déposée dans la matière à irradier
; Cette détermination est essentielle:
ü Pour estimer le danger potentiel des techniques de
diagnostique utilisant, in vivo, les radiations ionisantes.
ü Pour prévoir en radiothérapie, les effets
du traitement sur les tissus tumoraux et sur les tissus sains adjacents.
ü Pour définir les normes de radioprotection
individuelle et collective Un faisceau de photons issu d?une source sera
caractérisé par 3 types de grandeurs :
ü Distribution spectrale
ü Paramètres énergétiques
ü Distribution spatiale
I.4.1. Exposition
L?exposition au rayonnement est le rapport de charge totale dQ
dans un volume d?air de masse dm, lorsque tous les électrons
libérés par les photons dans cet élément de masse
d?air sont complètement arrêtés dans l?air.
1.1
L?unité : C/Kg
L?ancienne unité utilisée était le Roengten
(R) 1R = 2.58.10-4 C/Kg [GAM97]
I.4.2. Kerma :
Le Kerma représente l'énergie cinétique
libérée dans le milieu par le rayonnement indirectement ionisant
(photon, neutron). Il traduit le premier acte de transfert d?énergie,
à savoir la mise en mouvement par collision des particules secondaires.
Kerma est abbreviation de «Kinetic Energy Released per unit Mass in the
medium». Sur la
Figure I.6., il correspond à l'énergie
transférée en (a) et se définit par la relation
:
K= dE n 1.2
d
Où Ecin représente la somme des
énergies cinétiques initiales de toutes les particule
chargées mises en mouvement par les rayonnements
indirectement ionisants dans le volum de référence de masse
dm.
Figure I. 6. Représentation schématique du
transfert d'énergie d'un photon au milieu
traversé.
L'interaction a lieu en (a) avec gain d'énergie
cinétique pour un électron du milieu. Celui-ci va la perdre
progressivement le long de son parcours (b) constitué de petites
collisions. Du rayonnement de freinage est émis suite à une
interaction entre l'électron et un noyau du milieu. [GAM97]
I.4.3. Dose absorbée :
La dose absorbée (D) est l?énergie absorbée
par unité de masse.
D = 1.3
dm
Oil dE est l?énergie moyenne communiquée par le
rayonnement à la matière, dans un élément de
volume, et dm est la masse de la matière contenue dans cet
élément de volume. Dans ce règlement, le terme « dose
absorbée » désigne la dose moyenne reçue par un tissu
ou un organe. L?unité de dose absorbée est le gray (Gy), un Gy
équivaut à un joule par kilogramme: 1Gy = 1.J/kg[GAM97]
I.4.4. Equilibre électronique :
Le Kerma et la dose absorbée s?expriment avec la mrme
unité. Cependant ce n?est quelorsque l?équilibre
électronique est atteint dans le milieu que les quantités Kerma
et doseabsorbée sont égales.
Figure I. 7. / 59TXiliIETe
électronique.
I.5. Paramètres dosimétriques
caractérisant les faisceaux de photons
Chaque faisceau délivré par la machine de
traitement est caractérisé par des fonctions dosimétriques
mesurables. Ces fonctions usuelles ne présentent pas une information sur
la dose absolue, mais une variation de dose relative pour une
géométrie donnée.
Les techniques de mesures et les méthodes de calcul de
ces grandeurs sont définies dans le rapport N°24 de l?ICRU [ICRU76]
à des distances et profondeurs spécifiques illustrées par
la Figure I.8. [AIEA05]
Figure I. 8. Géométrie de mesures des fonctions
dosimétriques DSS "Distance Source
Surface", DSA "Distance Source Axe
(isocentre)" et DSD "Distance Source
Détecteur (point
d?intér~t)".[AHN99]
I.5.1. Caractérisation de la
pénétration du faisceau
La pénétration d?un faisceau de photons dans un
fantôme est caractérisé par trois grandeurs
dosimétriques : La dose en profondeur (PDD), le rapport
tissu-fantôme (TPR) et le rapport tissu-maximum (TMR). [AIEA05]
I.5.1.1. Le rendement en profondeur (PDD)
Le PDD est l?acronyme de "Percentage Depth Dose" en un point du
matériau sur l?axe
centraldu faisceau. Il est défini comme
étant le rapport de la dose absorbée en ce point sur
la doseabsorbée à la profondeur du maximum de dose
(pour le faisceau de photons délivré
par Cobalt60, zmax = 5mm)
à la même distance source-surface.
Les PDD sont calculés par la formule suivante :
) 1.5
PDD (ADSP; z) = 1 17
)
Et mesurés dans un fantôme d?eau selon le
schéma suivant :
Figure I. 9. Schéma de mesure des rendements en
profondeur (PDD) le long de l'axe du
faisceau
La courbe donnant la variation de la dose absorbée en
fonction de la profondeur dans l?eau
sur l?axe du faisceau d?irradiation
à une distance source-surface du fantôme fixe,
est
appelée courbe de rendement en profondeur : PDD(z). Le rendement
en profondeur (PDD)
correspond à la variation de la dose absorbée le
long de l?axe du faisceau en fonction de la profondeur du point de mesure, pour
différentes tailles de champ.
La distance source surface du fantôme est constante et la
distance source détecteur varie
avec la profondeur du point de mesure ; ces courbes sont
normalisées au point du maximum
de dose.
Certaines grandeurs dosimétriques peuvent être
définies à partir de la courbe de rendement
en profondeur : la dose à la surface, la dose de sortie et
la profondeur de maximum de dose
(profondeur de l?équilibre électronique):
Figure I.10. Rendement de dose en profondeur dans l'eau
pour un faisceau de
photons.[KAL11]
Région 1 : accroissement de dose ou buildup.
Région 2 : maximum de dose.
Région 3 : atténuation exponentielle de la dose en
fonction de la profondeur.
Le rendement de dose en profondeur dans un milieu d?eau
dépend de trois paramètres :
l?énergie du faisceau, la taille du champ d?irradiation et
la distance source-surface du milieu. I.5.1.2. Le profil de dose
:
a) Definition :
Le profil de dose correspond à la variation de la dose
le long d?un axe dans un plan
perpendiculaire à l?axe du faisceau.
Les valeurs de dose sont généralement normalisées par
rapport à la valeur de la dose à l?axe du
faisceau. Le profil de dose est mesuré dans l?eau avec une chambre
d?ionisation suivant les directions médianes du champ et suivant les
diagonales, à différentes profondeurs. Il déprend de
l?énergie du faisceau de photons, de la taille du champ d?irradiation et
de la profondeur de mesure.
b) Caractéristiques
Le profil de dose permet de contrôler
l?homogénéité, la symétrie ainsi que la
pénombre des faisceaux de photons. Il se compose de trois régions
distinctes : un plateau (zone homogène et symétrique).une zone de
décroissance (pénombre physique), puis une queue en dehors du
champ d?irradiation correspondant à la transmission à travers le
collimateur (zone d?ombre).
L?homogénéité est définie par la
surface contenant des points distants de l?axe d?au plus 80% de la
demi-longueur des axes médians du champ d?irradiation. La
symétrie s?évalue par le rapport des doses pour chaque couple de
points symétriques par rapport à l?axe à
l?intérieur de la zone homogène du champ. La pénombre
physique est caractérisée par la distance latérale entre
le point à 80% et le point à 20% de la dose maximale sur l?axe du
faisceau.
La figure I.12 donne la variation de la dose en fonction de la
distance à l?axe dans l?eau à une profondeur de 10 cm et
à une distance source surface de l?eau de 90cm pour un champ de photons
6MV et de dimensions 10*10 cm2 à la profondeur de mesure, dans la
direction cross plane c?est-à-dire dans le plan transverse
droite-gauche.
Figure I.12. Profil de dose d'un champ de photon
mesuré dans l'eau
Region 1 : zone homogène et symetrique du champ. Region 2
: penombre physique du champ.
Region 3 : ombre du champ.
La zone homogène et symétrique du champ est
obtenu par l?effet du cône égalisateur les dimensions de cette
zone doivent correspondre à celle du volume cible si on veut une
distribution à celles du volume cible si on veut une distribution de
dose homogène dans la cible. La zone de penombre physique correspond
à la zone ou les valeurs de dose changent rapidement. La dose
décroit quand ou s?écarte de l?axe du faisceau. Cette variation
est due notamment, à l?augmentation de la distance à la source et
à la rupture de l?équilibre electronique lateral.
La penombre physique est la somme de trois penombres
individuelles :
· la penombre geometrique, est due à la
divergence du faisceau. Elle est liee aux dimensions de source (taille du spot
d?électrons), à la distance source collimateur et à la
distance collimateur surface du patient.
· la penombre de transmission, est due aux rayonnements
transmis à travers les bords du collimateur.
· la penombre de diffusion, est due aux photons diffuses
qui sortent de la limite géométrique du faisceau d?irradiation.
Elle augmente avec la taille de champ, avec la profondeur, et avec la perte
d?énergie des photons.
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