Fiche de révision : Dosimétrie des faisceaux de photons

📋 Plan du Cours

1. Interactions et production des rayons X
2. Spectre énergétique des rayons X
3. Grandeurs dosimétriques fondamentales
4. Pénétration et mesures de dose
5. Dose à l’entrée et build-up
6. Maximum et zones profondes
7. Équilibre électronique latéral
8. Paramètres géométriques du traitement
9. Facteurs de dose et diffusion
10. Rendements et rapports dosimétriques
11. Profils et pénombre des faisceaux
12. Petits champs et détecteurs

📖 1. Interactions et production des rayons X

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayons X : Ondes électromagnétiques de haute fréquence et de courte longueur d’onde, dont l’énergie va de quelques électrons-volts à plusieurs dizaines de mégavolts.
• Électron-volt : Énergie cinétique acquise par un électron accéléré par une différence de potentiel d’un volt, soit 1,6 × 10⁻¹⁹ joule.

★ À maîtriser

• La radiothérapie utilise des rayonnements ionisants, notamment des rayons X ou des électrons, pour traiter les tumeurs malignes.

• 🔄 La production des rayons X comprend trois étapes :
  1. Accélération des électrons
  2. Conversion des électrons en photons dans une cible métallique
  3. Caractérisation du faisceau émis

Compléments

• Lors de l’interaction violente des électrons rapides avec une cible métallique dense, environ 99 % de l’énergie cinétique est convertie en chaleur et 1 % en rayonnement X.

💡 Astuce mémo

Rayons X : origine électronique ; rayons γ : origine nucléaire

📖 2. Spectre énergétique des rayons X

★ À maîtriser

📌 Le rayonnement de freinage provient de la déviation de l’électron à proximité d’un noyau, tandis que le rayonnement caractéristique provient de l’éjection d’un électron atomique puis du comblement de la vacance par un électron externe.

📐 Formule - L’énergie d’un photon est reliée à sa fréquence et à sa longueur d’onde par $E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$, où h est la constante de Planck, ν la fréquence, c la célérité de la lumière et λ la longueur d’onde.

• Dans le rayonnement de freinage, un électron passant plus près du noyau est davantage freiné et émet un photon de plus grande énergie.

Compléments

• L’énergie du rayonnement de freinage dépend de l’énergie des électrons incidents et du numéro atomique de la cible.

📌 L’énergie maximale du spectre des rayons X ne peut pas dépasser l’énergie des électrons incidents et l’atteint si un électron cède toute son énergie à un photon.

💡 Astuce mémo

Freinage plus intense → photon plus énergétique

📖 3. Grandeurs dosimétriques fondamentales

🔑 Notions clés & Définitions

• Fluence de photons : Nombre de particules incidentes traversant une surface transverse dA, soit $\phi=\frac{dN}{dA}$.
• Fluence énergétique : Énergie radiante incidente par unité de surface transverse, soit $\psi=\frac{dE}{dA}$.

• KERMA : Énergie transférée par des particules indirectement ionisantes à des particules directement ionisantes, par unité de masse; il s’exprime en joules par kilogramme ou en gray.
• Débit de fluence : Fluence par unité de temps, soit $\dot{\phi}=\frac{d\phi}{dt}$.

📝 Points essentiels

📌 Le TERMA représente l’énergie totale transférée par les particules indirectement ionisantes par unité de masse, en tenant compte de l’ensemble des interactions, dont les photons diffusés.

📌 Le KERMA total se décompose en KERMA de collision, qui conduit à des électrons dissipant leur énergie par collision, et KERMA radiatif, qui conduit à des photons produits par freinage des électrons secondaires.

📖 4. Pénétration et mesures de dose

🔑 Notions clés & Définitions

• Rendement en profondeur : Variation de la dose mesurée sur l’axe du faisceau à mesure que la profondeur augmente dans un milieu irradié.

• Profil de dose : Mesuré perpendiculairement à l’axe du faisceau à une profondeur donnée; il rapporte la dose hors axe à la dose sur l’axe à cette même profondeur.

★ À maîtriser

📌 Dans un faisceau divergent issu d’une source isotrope, la fluence diminue avec le carré de la distance à la source.

📌 Dans l’air, la propagation d’un faisceau divergent dépend de la loi de l’inverse du carré de la distance, tandis que dans le patient elle dépend aussi de l’atténuation et de la diffusion.

Compléments

• Les profils de dose et rendements en profondeur sont notamment caractérisés par des mesures dans une cuve à eau, milieu homogène où les conditions sont reproductibles.

📖 5. Dose à l’entrée et build-up

★ À maîtriser

• La dose à la surface est faible mais non nulle, car elle dépend des électrons de contamination produits dans la tête de la machine et dans l’air, ainsi que des photons rétrodiffusés dans le patient.

📌 Quand l’énergie du faisceau augmente, la dose à la surface diminue, car les électrons secondaires gagnent en énergie et leur trajectoire est davantage dirigée vers l’avant.

📌 Quand la taille de champ augmente, la dose à la surface augmente en raison de l’accroissement des rayonnements diffusés et du volume d’air irradié.

• Dans la région de build-up, les photons mettent en mouvement des électrons secondaires qui déposent leur énergie cinétique en profondeur, de sorte que la dose augmente de la surface jusqu’à la profondeur du maximum.

Compléments

📌 Dans les premiers millimètres du milieu, le KERMA est supérieur à la dose parce que les électrons mis en mouvement ne déposent pas immédiatement leur énergie au lieu du transfert.

💡 Astuce mémo

Surface → build-up → dose maximale

📖 6. Maximum et zones profondes

🔑 Notions clés & Définitions

• Profondeur du maximum de dose : Profondeur à laquelle la dose du faisceau atteint sa valeur maximale.

★ À maîtriser

📌 La profondeur du maximum de dose augmente avec l’énergie du faisceau; les valeurs indiquées sont 1,5 cm à 6 MV et 3,5 cm à 20 MV, tandis qu’elle est de 0 cm à 0,1 MV.

• Après zmax, la dose diminue progressivement à cause de la diminution de la fluence des photons primaires par atténuation et par la loi de l’inverse carré des distances.

Compléments

• À la sortie d’un patient d’épaisseur limitée, le manque de matière rétrodiffusante réduit le KERMA de collision et la fluence des photons rétrodiffusés, puis la dose diminue brutalement faute d’électrons rétrodiffusés.

📌 La profondeur du maximum de dose augmente avec l’énergie du faisceau et varie avec la taille de champ; l’augmentation de cette taille entraîne une légère diminution de zmax.

📖 7. Équilibre électronique latéral

🔑 Notions clés & Définitions

• Équilibre électronique latéral : Atteint lorsque les électrons secondaires qui entrent latéralement dans une région compensent ceux qui en sortent.

★ À maîtriser

📌 L’équilibre électronique latéral est atteint lorsque le rayon du faisceau photonique Rf est supérieur au parcours latéral maximal Rm des électrons secondaires.

Compléments

📌 Dans un grand champ, le déséquilibre latéral apparaît au bord du faisceau, tandis que dans un petit champ il peut apparaître sur l’axe lorsque Rf < Rm.

💡 Astuce mémo

Grand champ : déséquilibre au bord ; petit champ : déséquilibre sur l’axe

📖 8. Paramètres géométriques du traitement

🔑 Notions clés & Définitions

• DSA : Distance entre la source des photons et l’isocentre, c’est-à-dire l’axe de rotation de la machine; elle est fixe pour une machine et vaut généralement 100 cm pour une machine conventionnelle.

• DSP : Distance entre la source des photons et la peau du patient, à la surface d’entrée du faisceau dans le milieu diffusant.

★ À maîtriser

📌 Les tumeurs superficielles sont traitées avec une énergie faible, tandis que les tumeurs profondes requièrent une énergie élevée.

Compléments

• Les conditions de référence présentées pour caractériser un faisceau comprennent un champ de 10 × 10 cm² et une DSA de 100 cm.

📐 Formule - Pour un champ rectangulaire de côtés a et b dans un milieu diffusant, le côté de l’équivalent carré vaut $c=\frac{2ab}{a+b}$.

📖 9. Facteurs de dose et diffusion

🔑 Notions clés & Définitions

• Facteur d’ouverture du collimateur : Caractérise l’effet de la modification de la taille du champ sur la dose; il est normalisé à 1 pour le champ de référence 10 × 10 cm².
• PSF : Rapport de la dose totale à la dose primaire à l’entrée du milieu.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le facteur de dose relative dans l’eau Sc,p est le produit du PSF et du facteur d’ouverture du collimateur dans l’air Sc, soit $Sc,p=PSF\times Sc$.

Compléments

📌 Quand la taille de champ augmente, le facteur d’ouverture du collimateur dans l’air augmente avec la composante diffusée de la tête de la machine.

📌 À énergie donnée, le PSF augmente avec la taille de champ et est indépendant de la DSP.

📖 10. Rendements et rapports dosimétriques

🔑 Notions clés & Définitions

• PDD : Rapport, exprimé en pourcentage, entre la dose mesurée à une profondeur z sur l’axe du faisceau et la dose maximale mesurée à zmax.
• Rapport tissu-air : Rapport entre la dose mesurée dans l’eau et la dose mesurée dans l’air, à DSA constante.
• Rapport tissu-fantôme : Rapport entre la dose dans l’eau à une profondeur de référence et la dose dans l’eau à la profondeur z, à DSA constante et avec une DSP variable.
• Rapport tissu-maximum : Rapport entre la dose dans l’eau à zmax et la dose dans l’eau à la profondeur z, avec DSA constante et DSP variable.

📝 Points essentiels

📌 Le RTA diminue lorsque la profondeur augmente et augmente lorsque la taille de champ ou l’énergie augmente; à zmax, le RTA est égal au PSF.

📌 Le RTF et le RTM dépendent de la profondeur, de la taille de champ et de l’énergie, mais pas de la distance source-détecteur.

📖 11. Profils et pénombre des faisceaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Région centrale : Délimitée par l’isodose de 80 % et influencée par le cône égalisateur, qui homogénéise la fluence pour produire une distribution de dose plate à une profondeur donnée.
• Pénombre physique : La pénombre physique est la somme de la pénombre géométrique due à la divergence et aux dimensions de la source, de la pénombre de transmission à travers les bords du collimateur et de la pénombre de diffusion due aux photons diffusés hors de la limite géométrique du faisceau.
• Queue de distribution : Région hors du champ qui s’étend au-delà de l’isodose de 20 %; la dose provient des rayonnements diffusés par le collimateur et le patient ainsi que des rayonnements transmis par le collimateur.

📝 Points essentiels

• La pénombre augmente avec l’énergie lorsque le parcours des électrons secondaires s’allonge et que le déséquilibre électronique latéral devient plus marqué.

📐 Formule - La symétrie du profil est calculée à partir des aires Sdroite et Sgauche par $S=100\frac{S_{droite}-S_{gauche}}{S_{droite}+S_{gauche}}$.

📖 12. Petits champs et détecteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Petit champ : Selon l’IAEA TRS-483, un champ est considéré comme petit si au moins une condition est présente : manque d’équilibre électronique latéral, occultation partielle de la source primaire par la collimation, ou détecteur d’une taille comparable à celle du champ à la profondeur de mesure.

★ À maîtriser

• Quand la taille de champ diminue, la source est partiellement occultée et les pénombres peuvent se chevaucher, ce qui réduit la dose absorbée au centre du faisceau.

• Une chambre d’ionisation sous-estime la dose si son volume sensible dépasse l’étendue de la partie homogène du profil, ce qui peut conduire à surestimer le nombre d’unités moniteur.

• Dans les petits champs, la théorie de Bragg-Gray n’est pas applicable; la cavité d’air d’une chambre d’ionisation aggrave le défaut d’équilibre électronique, tandis que le silicium d’une diode le compense partiellement.

Compléments

• La radiothérapie stéréotaxique utilise de petits champs convergeant vers une cible de petites dimensions, tandis que l’IMRT additionne des champs complexes de moins de 3 × 3 cm² pour traiter des volumes parfois larges.

📌 Dans les petits champs, la détermination de la taille par la FWHM peut surestimer la taille du champ nominal, car le profil mesuré peut ne représenter que des pénombres.

💡 Astuce mémo

Champ réduit → source occultée, équilibre rompu et mesure perturbée

📊 Tableaux de synthèse

Influence des paramètres sur le faisceau