Les grandeurs dosimétriques

Généralités

L’ICRU (international commission on radiation unit and measurements) recommande l’utilisation du système international d’unités SI et fournit un jeu de définitions claires et précises servant de référence dans la dosimétrie des rayonnements. Des unités issues du système international (SI) :

Becquerel (Bq) (activité) : s^-1 à médecine nucléaire
Gray (Gy) (dose absorbée, kerma) : J.Kg^-1 à radiothérapie
Sievert (Sv) (équivalent de dose) : J.Kg^-1 à radioprotection

Quelques termes doivent être spécifiés avant de définir les unités du SI en radiothérapie :

Ionisation : évènement dans lequel un ou plusieurs électrons sont libérés d’un atome
Radiation ionisantes : particules chargées (positrons, électrons) et/ou non chargées (photons, neutrons) capable d’occasionner directement ou indirectement des ionisations par leurs interactions avec le milieu.

Nécessité de quantifier l’énergie transportée par les rayonnements ionisants (RI) et celle cédée à la matière :

Afin de caractériser le rayonnement : choix des grandeurs et unités relatives au rayonnement 1925 : ICRU (International Commission on Radiation Units)
Afin de prédire les effets sur la matière : notion de dose absorbée

Rappels : effet photoélectrique, effet Compton, matérialisation.

Conséquences : l’énergie des photons incidents peuvent être :

Transférée : énergie servant à la mise en mouvements des e- responsables de l’ionisation
Diffusée : énergie sous forme de rayon
Absorbée : énergie réellement déposée par les électrons

Grandeur d’intérêt, en liaison directe avec les effets produit sur la matière.

Grandeurs relatives aux champs de rayon :

S’agit des grandeurs quoi caractérisent le nombre, la direction, la nature et l’énergie des particules en tout point du champ.

Fluence de particules : nombre des particules dN traversant une surface par unité surface da (unité m^-2)
Fluence énergétique des particules : la somme des énergies dE de l’ensemble des particules qui ont traversés une surface par unité de surface da (unité J.m^-2)
Débit de fluence énergétique des particules : nombre ou énergie des particules par unité de surface da et unité de temps dt. (unité m^-2s-1 et J.m^-2s-1)

Conclusion :

Base théorique pour caractérisé un faisceau.

Intérêt :

détermination des efficacités de comptage et possibilité d’effectuer des calculs théoriques.

Inconvénients :

grandeurs très difficiles à mesurer.
grandeur très difficiles à rattacher aux effets réels sur la matière.

Grandeurs relatives à l’effet sur la matière

KERMA (Kinetic Energy Released in MAterial)

Grandeur applicable juste aux particules indirectement ionisantes = l’Ec initiale dE de toutes les particules chargées libérée par les particules indirectement ionisantes dans un volume de masse dm : photons, neutrons.

Quantifie l’E moyenne transférée par les particules indirectement ionisantes aux particules secondaires mises en mouvements, sans prendre en compte l’effet produit par ces dernières

Il existe 2 mécanismes de transfert :

par collisions (Kcol)
par transfert radiatif (freinage, annihilation e-/e+) K= Kcol + Krad)

Unité : 1 Gy = 1 J.Kg^-1

Le KERMA ne tient pas compte du devenir du parti directement ionisant mise en mouvements. C’est ce qu’on va céder à la matière.

Dose absorbée

Grandeur applicable à tout type de particule = l’énergie moyenne communiquée par le rayonnement incident à la matière dans l’élément de volume de masse dm.

L’énergie moyenne = somme des E des parti qui entrent dans le volume dV – somme des E des parti qui sortent du volume Dv.

Etant donné le parcours moyen des électrons, le lieu du transfert de l’énergie à partir des partis indirect ionisant et celui de l’absorption de l’E par le milieu sont différents.

Unité : 1 Gy = 1 J.Kg^-1

Notion d’équilibre électronique

Transfert et absorption de l’E ne se font généralement pas au mm endroit du fait de la mobilité des électrons secondaires. Dose = Kerma.

Lorsque l’on s’intéresse à un volume suffisamment profond irradié de façon uniforme par un faisceau de photon, si la quantité d’électron secondaire mis en mouvements dans un petit volume V’ mais qui déposent leur énergie à l’extérieur de celui-ci est égale à la quantité d’électrons qui pénètrent et déposent leur énergie dans celui-ci, on dit qu’il y a équilibre électronique à D est alors égal à K.

Echelle de dose

Radiothérapie : Localement : quelques dizaine de Gy délivrés par 1,8 à 4 Gy par séance/jour

Imagerie : 1 examen 1-100 cGy

Radioprotection :

Public 1mSv/an – 1 mGy/an
Travailleurs 20 mSv/an – 20 mGy/an

La dose est corrélée aux effets biologiques.

La qualité du faisceau

Objectifs :

Comparer le comportement des différents faisceaux dans un milieu donné
Comparer les traitements d’un centre à l’autre
Suivre la stabilité d’un faisceau lors du temps (CQ)

L’expression la plus précise de la qualité d’un faisceau est son spectre énergétique. Mais, difficile à mesurer ou calculer spécialement pour les photons de hautes énergies.

Photons de basse et moyenne énergie (kV)

Le spectre de rayons X dépend de :

Différence de potentiel
Filtration
Collimation

Spécification de la qualité du faisceau :

Soit par la tension accélératrice + filtration

Pas d’information sur la pénétration du faisceau, difficile à comparer

Soit par la couche de demi-atténuation (CDA)

Paramètre exprimant l’atténuation du faisceau dans un milieu de référence

Photons de haute énergie (MV) :

Le spectre de rayon X dépend de :

Potentiel nominal d’accélération
Matériaux présents dans le faisceau : cible, cône égalisateur, collimateurs…

Spécification de la qualité du faisceau :

Paramètre exprimant l’atténuation du faisceau dans un milieu de référence dans des conditions géométriques de référence

Energie nominale + indice de qualité (QI)

Mesure de l’indice de qualité

Le rapport des doses absorbées dans l’eau, sur l’axe du faisceau, aux profondeurs 20 cm et 10 cm dans un fantôme d’eau, obtenues à une distance source détecteur constante (100 cm) et pour un champ de 10 cm x 10 cm aux profondeurs de mesure.

Le milieu de référence : l’eau, car si Z important pas de variation de coefficients d’atténuation pour la gamme d’énergies de la radiothérapie.

Les faisceaux de photons utilisés en radiothérapie

Comportement du faisceau

Comportement du faisceau dans l’air

La dose au point P à la sortie de la tête de l’accélérateur est due à 3 composantes :

Photons primaires produits dans la cible
Photons diffusés produits par des interactions avec les composantes de la tête de l’accélérateur
Electrons de contamination produits pas des interactions dans la tête de l’accélérateur et dans l’air

Dair (P) = DRx _primaires(P) + DRx _diffusés(P) + D_{électrons contamination}(P)

Paramètres géométriques influençant la dose en un point :

Distance du point par rapport à la source
Ouverture du collimateur

Influence de la distance à la source

Hypothèses :

Source ponctuelle S
Distribution uniforme de la fluence énergétique des photons dans les 2 carrées A et B : Ψ_Aet Ψ_BΨ_A=E Ntotal / a²Ψ_B=E N total/ b²

Quand on s’éloigne de la source plus la dose décroit rapidement (Loi de l’inverse carré de la distance LICD)

Plus on s’éloigne de la source plus la dose sera faible.

La dose A est à inversement proportionnelle au carré de la distance :

Influence de l’ouverture du collimateur

La dose au point P augmente lorsque l’ouverture du collimateur augmente :

Augmentation du nombre de photons primaires suite à l’augmentation de la surface émettrice du filtre égalisateur,
Augmentation du nombre de photons diffusés et électrons de contamination car augmentation de la surface apparente du collimateur.

Comportement du faisceau dans le milieu

Paramètres d’influence

Nombre atomique Z (densité relative électronique)

Milieu de référence homogène (eau)
Milieu hétérogène (plusieurs types de tissus)

Position par rapport à l’axe du faisceau

Surface plane et perpendiculaire à l’axe
Surface oblique par rapport à l’axe du faisceau

Dimensions du milieu

Supérieures aux dimensions du faisceau
Inférieures aux dimensions du faisceau

Composantes du faisceau

Composantes de la Dose au pont P à une profondeur z dans le milieu :
Photons primaires produits dans la cible,
Photons diffusés produits par des interactions dans la tête de l’accélérateur et dans le milieu,
Electrons de contamination produits par des interactions dans la tête de l’accélérateur et dans l’air,
Electrons secondaires mis en mouvement par interactions photons-milieu

D_milieu(P) = D_Rx-primaire(P) + D_{Rx diffusés}(P) + D_{électrons contamination} (P) è D_milieu(P) = D_primaire(P) + D_diffusé(P)

La Dose Primaire

Dose primaire :

Dose déposée dans un milieu par les électrons et positons mis en mouvement par les interactions des photons primaires produits par la source.

La dose primaire dépend de la source de photons et du système de collimation primaire.

Paramètres d’influence de la dose primaire :

Ne varie pas avec la taille du champ d’irradiation,
Augmente avec l’énergie du faisceau,
Diminue avec l’augmentation de la distance à la source car diminution de la fluence de particules (LICD)

La Dose diffusée

Dose diffusée :

Dose déposée dans un milieu par les électrons et positons mis en mouvement par les interactions des photons secondaire (Compton, freinage, annihilation) suite à l’interaction des photons primaires (air, tête, milieu).

La dose diffusée dépend de la forme et la composition du volume diffusant et du système de collimation primaire.

Paramètres d’influence de la dose diffusée :

Augmentation avec la taille du champ d’irradiation
Diminue avec l’augmentation de l’énergie du faisceau,
Diminue si la distance de la source diminue

Distribution de dose

Dans l’axe du faisceau

Rendement en profondeur (RP) :

Evolution de la dose D en fonction de la profondeur z traversée, normalisée pas la dose maximale Dmax => RP(z) = D(z) / Dmax

Dose à la surface
Région mise en équilibre électronique
Profondeur du maximum de dose
Région d’équilibre électronique et atténuation
Dose à la surface

Dose à la surface du milieu Ds

La dose Ds est due :

Aux photons diffusés de la tête de l’accélérateur (collimateurs, cône égalisateur…)
Aux photons rétrodiffusés dans le milieu,
Aux électrons de contamination produits dans l’air, dans la tête de l’accélérateur et les accessoires interposés dans le faisceau.

La dose Ds augmente lorsque :

L’énergie du faisceau diminue. Pour les faisceaux de basse énergie (imagerie), la dose à la surface est égale à la dose maximale
La taille du faisceau augmente

Région de mise en équilibre électronique

Cette région est située entre la surface et la profondeur du maximum de dose :

Interactions des photons incidents avec le milieu => mise en mouvement des électrons qui parcourent une certaine distance avant de déposer leur énergie,
Distance approximativement égale au parcours moyen des électrons.

Dans cette région, équilibre électronique n’est pas encore atteint.

Le nb d’électrons mis en mouvement dans un volume dV et déposant leur énergie en dehors de ce volume est supérieur au nombre d’électrons mise en mouvement à l’extérieur de ce volume mais y déposant de l’énergie.

Dose absorbée < Kerma

Profondeur du maximum de dose Zmax

Profondeur à partir de laquelle l’équilibre électronique est atteint.

Dose = Kerma

La profondeur Zmax varie avec :

L’énergie E du faisceau,

Pour une taille de champ donnée, Zmax augmente lorsque E augmente.

6 MV : Z_max ≈ 1,5cm

20 MV : Z_max≈ 5cm

La taille de champ C.

Pour une énergie donnée, Z_max diminue lorsque C augmente.

Région d’équilibre électronique – atténuation

Dose = Kerma

La décroissance de la dose est due à l’atténuation et à l’absorption dans le milieu.

En première approximation, la dose suit une atténuation exponentielle :

D(Z) = Dmax.exp (-µx)

La dose en profondeur varie avec :

L’énergie du faisceau : pour un champ donné augmente avec l’énergie
La taille du faisceau : pour une énergie donnée augmente pour les plus grands champs
La distance à la source : diminue avec la distance (LICD)

Dose à la sortie

La dose décroît par manque de rétrodiffusé.

La dose est inférieure à celle obtenue dans milieu infini.

La dose à la sortie varie avec :

L’énergie du faisceau : elle augmente lorsque l’énergie du faisceau augmente
La présence d’accessoires (plan incliné, système de fixation…)

Distribution de dose perpendiculairement à l’axe du faisceau

Profil de dose :

Distribution de dose en dehors de l’axe à une profondeur donnée perpendiculairement à l’axe du faisceau, normalisée par la dose de l’axe.

Profil de dose

Zone centrale correspond au plateau de dose

Elle dépend :

De la profondeur de mesure
De la forme du filtre égalisateur

Taille de champs d’irradiation :

Largeur définie entre les points de 50% de la dose normalisée à l’axe du faisceau, mesurée dans les axes principaux du champ d’irradiation.

Pénombres

La pénombre physique des champs d’irradiation est caractérisée par la distance latérale entre le point à 80% et le point à 20% de la dose sur l’axe du faisceau, mesurée sur les axes principaux.

Elle est due :

Aux photons diffusés,
A la géométrie de la source (pénombre géométrique),
A la transmission à travers les bords du collimateur (pénombre de transmission).

Pénombre géométrique

Provient du fait que la source de photons n’est pas ponctuelle

Elle augmente avec :

la Distance-Source-Patient (d2 augmente),
la position des mâchoires (d1 diminue),

Pénombre de transmission

Provoquée par la transmission des photons à travers les faibles épaisseurs du collimateur.

Elle augmente avec l’énergie.

La pénombre globale augmente avec : l’énergie, la DSP, la profondeur.

Ombres

Les zones d’ombres en dehors du champ d’irradiation s’expliquent par la transmission du collimateur qui n’est pas nulle. Elle est plus importante avec un collimateur multi lames qu’avec des mâchoires.

Elle augmente avec l’énergie.

T_{mâchoires, 6Mv}≈ 0,5% T_MLC,6MV ≈ 2-3%

Distribution bidimensionnelle de la dose

Isodose :

Courbe reliant les points de même dose dans un plan.

Leur forme dépend :

De l’énergie
De la distance à la source
De la forme du filtre égalisateur,
De la présence d’obliquités de la surface, d’hétérogénéités du milieu,
La présence d’accessoires

Modification du faisceau

Collimateurs

Primaire

Cône en tungstène, taille fixe, délimite le champ maximal du faisceau,
Fuite > 0,2% en dehors du cône

Secondaire

2 mâchoires amovibles,
2 directions (tête-pied et gauche-droite),
Définissent la taille du champ rectangulaire,
Maximum 40cm à l’isocentre,
Possibilité de champs asymétriques
Transmission > 1% de la dose au centre.

Influence sur la distribution de la dose ++

Apport de photons diffusés et électrons de contamination,
Augmente la dose à la surface pour de grands champs d’irradiation,
Diminue la profondeur du maximum de dose

Collimateurs Multi lames (MLC)

Système de lames permettant d’adapter la forme du champ au volume irradié,
Plusieurs modèles : 40, 60, 80,120 lames de largeur de 0,2 à 0,5 ou 1cm
Mouvement mécanique indépendant de chaque lame commandé par l’ordinateur
Généralement double une des mâchoires (X ou Y), ou la remplace
Indispensable pour les techniques de traitement conformationelle et avec modulation d’intensité
Protège les organes à risques.

Influence sur les distributions de dose

Apport de photons diffusés et électrons de contamination
Transmission à travers les lames et inter-lames
Influence la dimension de la pénombre
Influence légèrement la forme des isodoses par la forme en escalier des lames.

Cache

Alliage métallique (Cerrobend) coulé dans des moulages en polystyrène suivant la forme du champ désiré
1 cache par faisceau, adapté à chaque patient et focalisé (divergence du faisceau)
Transmission de 5-6%
Lourds, risque d’outils s’il n’y a pas un codage dans les R&V
Protège les organes à risque.

Influence sur la distribution de dose

Apport de photons diffusés et électrons de contamination
Transmission importante à travers le cache
Calcul de taille réelle du champ d’irradiation (champ équivalent).

Calcul du champ carré équivalent

1^ère approximation :

Champ rectangulaire sans cache

2^ème approximation :

Champ à géométrie complexe avec cache (afin d’avoir une même équivalence de diffusée) : 2 équations, 2 inconnue (L1’ x L2’)

Exemple d’un tangentiel de sein

L=17cm, l= 8,6 ; S_cachée≈ 35cm² : S_irradiée=111cm²

Applications numériques : L’ = 14.8 cm l’= 7.5cm

C_eq =10.0cm

Influence des hétérogénéités du milieu

Modification de prédominance des interactions des photons suivant la densité du milieu (Z)
Modification de l’atténuation du faisceau en fonction de la densité du tissu => zones de sous et surdosage

Influence plus ou moins importante suivant l’énergie et la taille du faisceau (diffusion plus grande dans le poumon avec des photons de haute énergie et atténuation plus importante pour de faible énergie dans l’os)

Correction pour la prise en compte des hétérogénéités

Prise en compte possible à partir de l’équivalence Nombre Hounsfield-densité électronique du tissu (nécessite une calibration),
Calcul de la profondeur équivalente à l’eau
Difficile à corriger à l’interface et à l’intérieur de l’hétérogénéité.

Influence d’une obliquité de la surface d’entrée

Inclinaison des isodoses dans le même sens que la surface
Augmentation de la dose à la surface et à faible profondeur en amont
Le rendement en profondeur n’est pas modifié sur l’axe du faisceau

Correction d’une obliquité

Utilisation d’accessoires pour compenser le manque de volume :

Bolus :

Permet de compenser un manque de matière à la surface
Matériel malléable, équivalent tissu (silicone), appliqué directement sur la peau
Inconvénient : surdosage à la peau => déplacement du maximum de dose à la peau.

Compensateur :

Permet de compenser un manque de matière à la surface,
Placé à distance du patient,
Inconvénient : durcissement du faisceau, lourd, encombrement, risque d’oubli
Module l’intensité du faisceau

Filtre en coin :

Permet de compenser une obliquité à la surface d’entrée du faisceau et d’homogénéiser la distribution de dose dans les différents tissus du volume traversé
Déforme les isodoses en leur donnant une direction oblique par rapport à l’axe du faisceau (angle filtre) et modifie l’atténuation du faisceau (facteur filtre)
L’angle du filtre en coin = l’angle d’inclinaison de l’isodose par rapport à l’axe du faisceau.
Facteur du filtre en coin = rapport entre la dose avec et sans filtre à la profondeur de référence.

3 types de filtres :

Manuels : angle de 15°,30°,45° et 60°
Intégrés dans la tête de l’accélérateur (généralement filtre de 60°), la présence partielle dans le faisceau d’irradiation donne l’angle du filtre.
Dynamiques : crées par le mouvement d’une mâchoire du collimateur, l’angle est défini par la combinaison vitesse de déplacement de la mâchoire/débit nominal d’irradiation.

Avantages et inconvénients :

Manuels : facilement mesurables, mais lourds, encombrants, risque d’oubli ou mauvaise orientation
Intégrés : facilement mesurables, enlèvent les désavantages des manuelles, mais limites en angles
Dynamiques : multiples angles, automatique mais plus difficile à mesurer et à modéliser.

Cas pratiques

Traitement de la glande mammaire

2 faisceaux tangentiels
6MV
Filtres de 30° : dose homogène

Traitement de la prostate : technique de la boîte

Haute énergie (ex : 15MV), 4 faisceaux
Haute énergie (ex : 15MV), 5 ou 6 faisceaux

Traitement d’un nodule pulmonaire

5 à 7 faisceaux
6MV (sauf médiastin)
Filtres en coin
Correction d’hétérogénéité

Evaluation de la couverture des volumes

Utilisation des Histogrammes Dose Volume (HDV)
Dose absorbée dans une quantité de volume
Abscisses : Dose délivrée
Ordonnées : Volumes des volumes d’intérêt