Fiche de révision : Applications biomédicales des rayonnements

📋 Plan du Cours

1. Gaz et échanges biomédicaux
2. Pression et plongée
3. Perspiration et transpiration
4. Structure et stabilité nucléaires
5. Transformations radioactives
6. Interactions rayonnement-matière
7. Effets biologiques et dosimétrie

📖 1. Gaz et échanges biomédicaux

📝 Points essentiels

• Le transport de l’oxygène se fait en partie en milieu gazeux lors de l’inspiration et en partie en milieu liquide au niveau sanguin.

• Le transport du dioxyde de carbone se fait en partie en milieu gazeux lors de l’expiration et en partie en milieu liquide au niveau sanguin.

📖 2. Pression et plongée

★ À maîtriser

• La pression à la surface terrestre vaut 1 atm, soit environ 1 bar.

• En plongée, la pression augmente de 1 bar tous les 10 mètres de profondeur.

• Un plongeur qui inspire 1 litre de gaz à 10 mètres et remonte en retenant sa respiration expose ses poumons à un volume gazeux de 2 litres, ce qui provoque une surpression pulmonaire et perturbe les échanges gazeux.

📐 Formule — À 10 mètres, les pressions partielles valent $P_{pO_2}=P_TX_{O_2}=2\times0{,}2=0{,}4\,bar$ et $P_{pN_2}=P_TX_{N_2}=2\times0{,}8=1{,}6\,bar$.

📌 La narcose survient lorsque la pression partielle de l’azote dépasse 4 bars, provoquant notamment l’ivresse des profondeurs, des hallucinations et des angoisses.

• Le seuil de narcose correspond à une profondeur de 40 mètres, tandis que le seuil d’hyperoxie à 1,8 bar de pression partielle d’oxygène correspond à 80 mètres.

Compléments

• À 10 mètres de profondeur, un ballon contenant 1 litre d’air voit son volume divisé par deux et retrouve son volume initial à la surface.

📐 Formule — À 10 mètres, la pression hydrostatique vérifie $P_{hyd}=h\rho g=10\times1000\times10=10^5\,Pa$ et la pression totale vaut $P_T=P_{atm}+P_{hyd}=2\times10^5\,Pa=2\,bar$.

💡 Astuce mémo

Pression ↓ à la remontée → volume gazeux ↑

📖 3. Perspiration et transpiration

🔑 Notions clés & Définitions

• Perspiration insensible : Regroupe les échanges respiratoires pulmonaires et l’évaporation cutanée qui se produisent sans sudation apparente.
• Transpiration : L’évacuation de la sueur par les pores de la peau, permettant de réguler la température corporelle et d’éliminer des déchets.

★ À maîtriser

• La production de sueur est normalement d’environ 0,5 litre par jour, mais peut atteindre 2 litres par heure en cas de stress, d’effort physique ou de fièvre.

Compléments

• L’évaporation pulmonaire est une perspiration insensible dont la masse d’eau évaporée dépend de l’hygrométrie de l’air inspiré et atteint environ 0,3 à 0,4 litre par jour.

• L’évaporation cutanée passive est une perspiration insensible relativement constante, au cours de laquelle l’eau traverse la peau sans utiliser d’énergie cellulaire, pour un volume de 0,6 à 0,8 litre par jour.

📖 4. Structure et stabilité nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité : La propriété de certains noyaux de se transformer spontanément ou après provocation en émettant une particule alpha, une particule bêta ou un rayonnement électromagnétique.

★ À maîtriser

• Les isotopes ont le même Z et un N différent, les isotones ont un N identique et un Z différent, les isobares ont un nombre de masse A identique avec Z et N différents, et les isomères ont Z, N et A identiques.

📌 L’état fondamental est stable et possède une énergie nucléaire minimale, l’état excité est très instable et dure moins de 10^-12 seconde, tandis que l’état métastable est instable et peut durer de la nanoseconde à des milliards d’années.

Compléments

• La radioactivité a été découverte naturellement par Henri Becquerel, le polonium et le radium ont été découverts par Pierre et Marie Curie, et la radioactivité artificielle par Frédéric et Irène Joliot-Curie.

• Dans un atome, le proton porte une charge de +1,6×10^-19 C, le neutron est neutre et l’électron porte une charge de -1,6×10^-19 C.

• L’énergie moyenne de liaison par nucléon est proche de 8 MeV pour la majorité des nucléides ; la fusion est observée pour A<20 et la fission pour A>190.

📖 5. Transformations radioactives

★ À maîtriser

• Une désintégration modifie la structure du noyau en libérant son excès énergétique, tandis qu’une désexcitation libère cet excès sans modifier la structure nucléaire.

• Les transformations radioactives conservent la charge électrique et l’énergie totale.

• Une chaîne de désintégration est une succession de transformations par laquelle un noyau père instable atteint la stabilité via des radionucléides fils intermédiaires.

• La désintégration bêta plus nécessite un excès énergétique minimal de 1,022 MeV ; les noyaux lourds sont davantage orientés vers la capture électronique, tandis que les noyaux légers ou très excédentaires sont davantage orientés vers l’émission bêta plus.

• La constante radioactive λ est la probabilité de désintégration par unité de temps et s’exprime en s^-1 ; la demi-vie T est le temps nécessaire pour que le nombre de noyaux radioactifs diminue de moitié.

Compléments

• Une désexcitation peut se faire majoritairement par émission d’un photon gamma, instantanément pour un état excité ou de façon isomérique pour un état métastable, ou par expulsion d’un électron de conversion interne.

💡 Astuce mémo

Père instable → radionucléides fils → stabilité

📖 6. Interactions rayonnement-matière

★ À maîtriser

• Un rayonnement transfère une énergie inférieure à l’énergie de liaison lors d’une excitation, supérieure à cette énergie lors d’une ionisation, et faible lors d’un échange thermique.

• Lors de l’effet photoélectrique, le photon incident transfère toute son énergie à un électron, qui est expulsé et provoque ensuite des ionisations, des excitations, une fluorescence X ou l’émission d’un électron Auger.

• Lors de l’effet Compton, l’énergie du photon incident est partagée entre un électron expulsé et un rayonnement électromagnétique, et le phénomène est plus probable lorsque l’énergie de liaison est faible.

• La production de paire correspond à la disparition d’un photon au voisinage du noyau avec création d’un électron et d’un positon, et exige une énergie supérieure à 1,022 MeV.

📌 Le parcours d’un électron est la longueur réelle de sa trajectoire sinueuse, tandis que sa portée est la profondeur maximale atteinte dans le milieu.

Compléments

• Lorsqu’un positon rencontre un électron, ils s’annihilent en produisant deux photons gamma de 511 keV chacun, émis sur un même axe en directions opposées à 180 degrés.

📖 7. Effets biologiques et dosimétrie

🔑 Notions clés & Définitions

• Dose absorbée : La quantité d’énergie cédée par unité de masse de matière exposée aux rayonnements et s’exprime en gray, soit en joules par kilogramme.

★ À maîtriser

• Les cellules sont d’autant plus radiosensibles qu’elles sont jeunes, immatures, indifférenciées et capables de se multiplier rapidement.

• Une faible lésion de l’ADN peut être réparée enzymatiquement, une lésion conservée peut conduire à un cancer, et une lésion forte peut provoquer la nécrose ou l’apoptose.

📐 Formule — Le taux de survie cellulaire S diminue lorsque la dose augmente ; la dose létale moyenne D0 ou D37 laisse survivre 37 % des cellules, et la dose létale 50 vérifie $D_{50}=D_0\times\log(2)$.

📌 Lorsque la dose augmente, la gravité des effets déterministes augmente, tandis que la probabilité d’apparition des effets stochastiques augmente.

📐 Formule — La dose équivalente reçue par un organe ou un tissu vérifie $H_T=D_T\times W_R$ et s’exprime en sievert, où D_T est la dose absorbée et W_R le facteur de pondération du rayonnement.

Compléments

• Le débit de dose absorbée est la dose absorbée par unité de temps et s’exprime en Gy/h ou en Gy/s.

• Sans traitement, la dose létale 50 de l’être humain est de 4,5 Gy.

• La dose efficace E tient compte de la dose équivalente H_T et du facteur de pondération tissulaire W_T, qui reflète la radiosensibilité propre à chaque tissu ou organe.

💡 Astuce mémo

Dose ↑ → lésions ↑ et survie ↓

📊 Tableaux de synthèse

Seuils de plongée