RAPPELS DE PHYSIQUE

Nous exposons dans cette partie les interactions des photons avec la matière susceptibles de se produire aux gammes d’énergies utilisées en radiothérapie externe, les mécanismes de production des RX, la notion de dose absorbée et les effets biologiques sur l’organisme.

II.1.1

Interactions photon-matière

En radiothérapie externe, on utilise des rayons X (RX) de très haute énergie, entre 4 et 25 MeV. Sous ces niveaux d’énergie 4 types d’interactions peuvent se produire entre les photons et la matière (cf. Figure II-1).

§ L’effet Compton § L’effet Photo-électrique § La Création de paires § L’effet Thomson-Rayleigh

II.1.1.1 L’effet Compton

L’effet Compton est l’interaction entre un photon et un électron situé sur les couches périphériques de l’atome et donc faiblement lié. Le photon incident transmet une partie de son énergie à l’électron de recul qui est projeté selon un angle ϕ et le reste au photon diffusé selon un angle Θ de 0 à 180°, alors que le photon diffusé peut être émis dans tout l’espace, l’électron de recul est projeté en avant du point d’interaction, on parle donc de diffusion Compton. L’atome est ionisé, il en résulte un phénomène de réarrangement électronique entraînant des réactions de fluorescence et d’émission d’électrons Auger. La section efficace (notion de probabilité d’interaction) dépend de l’énergie du photon incident et du numéro atomique Z de l’atome :

!!≈ ! !

Équation II-1 : Section efficace de l’effet Compton, en fonction de Z, numéro atomique , et de E, énergie du photon incident.

Chapitre II : La dose absorbée en Radiothérapie

Figure II-1 : Domaine de prédominance des différentes interactions fondamentales.

II.1.1.2 L’effet Photo-électrique

L’effet photoélectrique correspond à l’interaction d’un photon d’énergie ! = ℎ! avec un électron fortement lié situé sur les couches profondes de l’atome, avec une énergie de liaison (El). La totalité de

l’énergie du photon est transmise à l’électron qui est alors éjecté et est appelé photoélectron (pe). Ceci conduit à l’ionisation de l’atome. Son énergie cinétique vaut :

!!"= ℎ! − !!

Équation II-2 : Energie du photoélectron (Epe) en joule (J) ; h : constante de Planck ≈ 6,62×10-34 J⋅s ; El, énergie de liaison de l’électron sur sa couche

Il en résulte un phénomène de réarrangement électronique pour combler la place vacante laissée par l’électron éjecté. Un électron situé sur les couches orbitales supérieures vient donc combler la place vacante en émettant un photon de fluorescence dont l’énergie est égale à la différence d’énergie de liaison entre les deux orbites. La section efficace dépend fortement de l’énergie du photon incident et du numéro atomique Z de l’atome :

!!" ≈ !! !!.!

Équation II-3 : Section efficace de l’effet photo-électrique, en fonction de Z, numéro atomique , et de E, énergie du photon incident.

Dans le cas de la RTE, l’effet photoélectrique est prédominant pour des énergies inférieures à 100 keV dans le corps humain. C’est l’effet prépondérant en Radiologie conventionnelle.

II.1.1.3 La création de paires

Appelée également matérialisation, la création de paires se traduit par la matérialisation d’un photon incident en une paire électron-positon lors de son interaction avec le noyau atomique. La condition

Chapitre II : La dose absorbée en Radiothérapie

sine qua non permettant cette production est que l’énergie minimale du photon incident soit au minimum égale à 1022 keV afin de transférer 511 KeV à chaque particule.

La rencontre entre un positon et un électron dans le milieu entraîne l’annihilation de ces derniers, conduisant aussitôt à la formation de deux photons d’énergie de 511 KeV émis à 180° l’un de l’autre. La probabilité d’apparition de l’effet de création de paires est possible pour des énergies élevées (> 1,022 MeV). Il devient prépondérant à une énergie de 5 MeV et pour des numéros atomiques Z élevés. Sans ce cas, la section efficace dépend de l’énergie du photon incident et du numéro atomique Z de l’atome :

!!"≈ !!. !

Équation II-4 : : Section efficace de la création de paires, en fonction de Z, numéro atomique , et de E, énergie du photon incident.

En RTE, cette réaction suivie de l’effet d’annihilation est peu probable. En effet, pour un faisceau de photons de 10X par exemple, la tension d’accélération des électrons est de 10 MV mais l’énergie moyenne est d’environ 3 MeV. A ces énergies, la création de paires est rare.

II.1.1.4 L’effet Thomson-Rayleigh

L’effet Thomson-Rayleigh se caractérise par la diffusion d’un photon sans changement d’énergie (diffusion élastique). Le photon incident subit une collision dite élastique à travers le nuage électronique.

L’effet Thomson-Rayleigh est prépondérant aux faibles énergies (< 40 keV) et son effet dans le corps humain est faible en comparaison des autres interactions rayonnement-matière possible.

II.1.1.5 L’effet Photo-nucléaire

L’effet Photo-nucléaire est possible lorsqu’un photon de haute énergie (>10 MeV) est absorbé par un noyau. Le noyau de l’atome est alors excité, ce qui se traduit par l’émission possible d’un neutron, d’un proton, de rayonnements gamma ou de fragments nucléaires.

II.1.2

Mécanisme de production des rayons X

§ La fluorescence (X caractéristique)

L’électron incident interagit par collision avec un électron de la couche électronique profonde de la cible de tungstène (interaction coulombienne). L’électron est alors éjecté et laisse une place vacante. Il

Chapitre II : La dose absorbée en Radiothérapie

s’en suit un phénomène de réarrangement électronique, un électron situé sur une couche d’énergie supérieur (E0) vient combler la place vacante de l’électron éjecté en émettant un photon de

fluorescence d’énergie (Eγ = E0 - E de liaison de la couche). Ces photons de fluorescence seront émis

avec des énergies bien définies et caractéristiques des couches électroniques de l’atome créant ainsi un spectre de raies. Le rendement de production de rayon X par la fluorescence est très faible (<1%), la majeur partie de l’énergie cinétique (99%) est dissipée sous forme de chaleur.

§ Le rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)

Le rayonnement de freinage ou communément appelé Bremsstrahlung résulte de l’interaction coulombienne entre un électron et le noyau de l’atome de la cible (cf. Figure II-2). L’électron est attiré par le noyau et est dévié de sa trajectoire initiale en perdant une partie de son énergie par radiation. Un rayonnement de freinage est donc créé. On parle de spectre continu en énergie, car l’énergie du photon ainsi produit a une énergie qui peut varier de 0 à l’énergie de l’électron incident (MeV).

Figure II-2 : Production du rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)

Pour les plages d’énergies des électrons incidents (MeV) utilisées en RTE et des numéros atomiques élevés de la cible (généralement en tungstène ; Z=74), l’émission de rayonnement X de freinage est prépondérante.

II.1.3

Effets biologiques des photons

Les effets biologiques des photons sur l’organisme sont la conséquence directe ou indirecte des interactions photon-matière vues précédemment entraînant des dommages biologiques. Ces dommages agissent au niveau cellulaire en entrainant des altérations directes ou indirectes de l’ADN (Acide DésoxyriboNucléique)

Chapitre II : La dose absorbée en Radiothérapie

§ Effet direct :

Le rayonnement incident interagit directement sur l’ADN de la cellule entrainant des cassures de cette dernière. Ce type d’effet est principalement produit lorsque le transfert d’énergie linéique (TEL), qui représente l'énergie moyenne transférée au milieu par la particule par unité de longueur de la trajectoire parcourue, est grand.

§ Effet indirect :

Dans ce cas, le rayonnement va principalement interagir avec la molécule d’eau (85% du corps humain) en produisant un électron secondaire comme vu précédemment. Ce dernier entraine la production de radicaux libres OH° et H° provenant de la radiolyse de l’eau et pouvant ainsi provoquer des altérations des bases puriques ou pyrimidiques de l’ADN, entrainant ainsi des dégâts biologiques. En RTE, la majorité des dommages biologiques est produite par effet indirect.