Fiche de révision : Dosimétrie des faisceaux d’électrons

📋 Plan du Cours

1. Production et collimation des électrons
2. Interactions et pouvoir d’arrêt
3. Rendement en profondeur
4. Influence de l’énergie et du champ
5. Spectre énergétique et qualité
6. Débit de dose et géométrie
7. Profils et pénombre
8. Obliquités et hétérogénéités

📖 1. Production et collimation des électrons

🔑 Notions clés & Définitions

• Applicateur : Collimation additionnelle fixée après les mâchoires, qui réduit le rayonnement diffusé et limite la zone traitée à des champs de 10 cm × 10 cm à 30 cm × 30 cm.

📝 Points essentiels

• En régime photon, les électrons frappent une cible en tungstène pour produire un rayonnement de freinage dirigé vers l’avant, tandis qu’en régime électron la cible RX et le cône égalisateur sont retirés du faisceau primaire.

• En régime électron, le faisceau étroit sort par une fine fenêtre et traverse deux diffuseurs destinés à l’élargir et à l’égaliser.

• Le premier diffuseur, commun à toutes les énergies, disperse le faisceau, tandis que le second, un égaliseur de forme propre à chaque énergie, homogénéise sa partie centrale.

💡 Astuce mémo

La cible produit les photons X ; l’applicateur délimite le faisceau d’électrons.

📖 2. Interactions et pouvoir d’arrêt

★ À maîtriser

📌 Les collisions inélastiques avec les électrons atomiques provoquent ionisation et excitation et constituent une perte par collision, tandis que les collisions élastiques avec les électrons ou les noyaux changent la direction sans perte d’énergie.

📌 Les collisions inélastiques avec les noyaux produisent un rayonnement de freinage et une perte radiative, qui augmente avec l’énergie de l’électron et le numéro atomique du matériau.

• Aux énergies utilisées en radiothérapie, la perte par collision prédomine dans les milieux biologiques et l’énergie perdue dans les tissus est indiquée comme étant de 2 MeV·cm²/g.

• Le pouvoir d’arrêt total comprend le pouvoir d’arrêt massique par collision, dû aux interactions avec les électrons orbitaux, et le pouvoir d’arrêt massique par radiation, dû aux interactions avec les noyaux.

Compléments

📌 Le parcours développé R est la longueur totale de la trajectoire brisée d’un électron, le parcours projeté Rp en est la composante parallèle à la direction incidente et le parcours latéral Rl en est la composante perpendiculaire.

• Le pouvoir diffusant des électrons varie comme Z²/E² ; les diffuseurs des accélérateurs utilisent donc des matériaux de numéro atomique élevé, et la diffusion est plus forte pour les électrons de faible énergie.

💡 Astuce mémo

Collision : perte d’énergie ; diffusion élastique : changement de direction sans perte d’énergie.

📖 3. Rendement en profondeur

★ À maîtriser

📌 Dans un faisceau d’électrons, l’énergie diminue avec la profondeur tandis que la fluence reste constante ; dans un faisceau de photons, l’énergie reste constante tandis que la fluence diminue.

• Pour les électrons, la courbe d’ionisation ne représente pas directement le rendement en dose, car le rapport des pouvoirs d’arrêt massiques eau/air varie avec l’énergie et la profondeur.

• La dose à la surface représente 70 % à 90 % de la dose maximale pour les faisceaux d’électrons, contre 10 % à 25 % pour les faisceaux de photons.

• Après la dose maximale, la dose diminue rapidement avec la diminution du nombre d’électrons primaires, puis la région terminale est contaminée par les rayons X de freinage produits dans la tête et le milieu.

Compléments

📐 Formule - La dose à la profondeur z s’obtient en multipliant l’ionisation mesurée à cette profondeur par le rapport des pouvoirs d’arrêt massiques : $D(z)=\operatorname{Ionisation}(z)\times(S/\rho)$.

• Entre la surface et la profondeur de dose maximale, la dose augmente sous l’effet de la mise en mouvement d’électrons secondaires, de la diffusion des électrons primaires et de l’augmentation de l’angle moyen de leur trajectoire.

💡 Astuce mémo

Dose : montée jusqu’au maximum, chute rapide, puis région terminale contaminée par les rayons X.

📖 4. Influence de l’énergie et du champ

★ À maîtriser

• Quand l’énergie augmente, la dose de surface, la profondeur de pénétration, R50 et R100 ainsi que la dose due au rayonnement de freinage augmentent ; le plateau de dose maximale s’élargit et la pente décroissante devient moins forte.

📌 Dans un faisceau étroit, les électrons diffusés sortent en majorité du faisceau et la dose décroît rapidement avec la profondeur ; dans un faisceau large, l’équilibre de diffusion latérale est atteint et la dose sur l’axe devient indépendante de la taille du champ.

• Quand la taille du champ diminue, la profondeur de dose maximale se rapproche de la surface, la dose de surface augmente, le rapport dose de surface/dose maximale augmente et la dose décroît plus rapidement après le maximum.

Compléments

• La contamination indiquée est de 0,5 à 1 % entre 6 et 12 MeV, de 1 à 2 % entre 12 et 15 MeV et de 2 à 5 % entre 15 et 20 MeV.

• Quand la distance source-entrée du milieu diminue, la profondeur de dose maximale se rapproche de la surface, surtout aux faibles énergies, et la dose de surface augmente à cause des électrons de contamination.

💡 Astuce mémo

Énergie accrue → pénétration accrue ; champ réduit → équilibre latéral réduit.

📖 5. Spectre énergétique et qualité

📝 Points essentiels

• Après l’accélération et la déviation, les collisions avec le diffuseur, la chambre, le collimateur et les molécules d’air font perdre de l’énergie aux électrons, élargissent leur spectre et produisent du rayonnement de freinage.

📌 À la fenêtre de sortie, le spectre énergétique est étroit ; à la surface du fantôme, il est élargi par les interactions dans la tête et l’air ; en profondeur, il est très étalé.

• Le faisceau d’électrons est caractérisé notamment par Ep,0, l’énergie la plus probable à la surface du fantôme, E0, l’énergie moyenne à cette surface, et R50, la profondeur où la dose absorbée atteint 50 % de la dose maximale.

💡 Astuce mémo

Fenêtre de sortie → surface du fantôme → profondeur : le spectre s’élargit.

📖 6. Débit de dose et géométrie

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour les photons, la variation de dose entre deux distances à la source suit la loi de l’inverse du carré des distances : $D_A=D_B\left(\frac{f_B}{f_A}\right)^2$.

📌 La loi de l’inverse du carré s’applique si la source est ponctuelle, si l’émission est isotrope et si les particules émises ne subissent aucune interaction.

• Une source virtuelle ponctuelle est un point fictif dont le faisceau produit à la surface la même fluence d’électrons que le faisceau réel et qui permet d’appliquer la loi de l’inverse du carré dans les distances source-peau usuelles de 100 à 120 cm.

📐 Formule - Le facteur d’ouverture du collimateur pour une énergie donnée est le rapport de la dose pour un champ de dimension A à la dose pour le champ de référence de 10 × 10 cm² : $FOC=\frac{D(A)}{D(10\times10\ \mathrm{cm}^2)}$.

Compléments

• La position de la source virtuelle se détermine en mesurant la dose à la profondeur de dose maximale pour plusieurs valeurs du gap d’air.

• Le facteur d’ouverture du collimateur doit être mesuré pour chaque énergie et chaque applicateur, ainsi que pour les champs irréguliers définis par un insert en plomb.

💡 Astuce mémo

Photons : source ponctuelle ; électrons : source virtuelle.

📖 7. Profils et pénombre

🔑 Notions clés & Définitions

• Pénombre : Région du profil comprise entre 80 % et 20 % de la dose.

★ À maîtriser

• Un profil exprime la dose en pourcentage de la dose de référence, généralement mesurée à la profondeur de dose maximale.

• La pénombre des faisceaux d’électrons augmente quand l’énergie diminue, car l’angle de diffusion des électrons dans le milieu augmente ; elle reste beaucoup plus faible que celle des photons.

Compléments

• La pénombre est due à la diffusion des électrons dans le milieu et aux dimensions de la source fictive, et elle augmente avec la profondeur, les dimensions du champ et la distance collimateur-peau.

💡 Astuce mémo

Diffusion et source fictive → pénombre, qui s’élargit avec la profondeur et le champ.

📖 8. Obliquités et hétérogénéités

🔑 Notions clés & Définitions

• Électrons delta : Les électrons delta sont des électrons secondaires dont l’énergie dépasse une énergie de coupure Δ, le plus souvent fixée à 100 keV, et qui possèdent leur propre parcours.

★ À maîtriser

• Pour une obliquité supérieure à 30°, la dose de surface augmente, surtout à faible énergie, tandis que la profondeur de dose maximale et R85 diminuent.

• Une hétérogénéité perturbe la distribution de dose en modifiant l’absorption et la diffusion des électrons, qui dépendent de la densité et du numéro atomique du milieu ; la perturbation dépend aussi de l’énergie incidente et de la position de l’hétérogénéité.

Compléments

• Avec un faisceau oblique, le point le plus proche de la surface reçoit davantage de diffusion latérale provenant du pinceau étroit adjacent, tandis que le point plus profond en reçoit moins.

• Hors axe, l’obliquité produit une dose plus élevée et une pénombre plus étroite du côté où la surface d’entrée est la plus proche de l’applicateur, tandis que la pente est moins marquée à haute énergie.

💡 Astuce mémo

Obliquité supérieure à 30° → dose de surface accrue et maximum rapproché.