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![Energie de liaison entre nucléons.
La différence entre la masse nucléaire d’un élément et la
masse de l’ensemble de ses nucléons constitutifs est
appelée « défaut de masse » puisque négative.
Elle représente l’énergie totale de liaison des nucléons.
Btot(A,Z) = [ZxMp + NxMn – M(A,Z)] c2
avec Mp, Mn masses du proton, neutron et M(A,Z) la
masse du noyau de l’élément Z.
2
He2
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--> 2 n° = 2x 1.00898 = 2.01796 uma
--> 2 p+= 2x 1.00813 = 2.01626 uma
masse= 4,00390 au lieu de = 4.03422 uma
soit un défaut de masse de 0,03032 uma
soit énergie de 0,03032x1,66.10-24
(g)x 9.1013
=
4,53.10-12
J ou (/1,6.10-19
)= 2,83.107
eV
soit 7 MeV/nucléon.](https://image.slidesharecdn.com/01-introductionetprincipesgnrauxdelamdecinenuclaire-251129190926-15ba0fda/75/01-Introduction-et-principes-generaux-de-la-medecine-nucleaire-ppt-8-2048.jpg)
01- Introduction et principes généraux de la médecine nucléaire.ppt
- 1. Université Amar Telidjide Laghouat Introduction et principes généraux de la médecine nucléaire Dr Redjem Fethi
- 2. Définition • La médecinenucléaire est une branche de la radiologie qui désigne soit l’imagerie par résonnance magnétique (IRM), soit la scintigraphie. Ce sont deux domaines très différents de l’imagerie qui se regroupent pourtant sous le même chapitre. • Pour l’imagerie par résonnance magnétique (IRM), l’origine du nom vient du fait que les protons d’hydrogènes qui servent à produire l’image. • Pour la scintigraphie, on utilise la capacité d’un élément radioactif à se fixer sur les cellules du corps d’où ils émettront des rayonnements qui pourront être détectés..
- 3.
- 4. Principe de l’imagerieen médecine nucléaire. Dans le cas de la scintigraphie on va utiliser un agent imagerie qu’on appelle radiotraceur (biologique ou non), qui a un rôle important car celui-ci est spécifique d’une fonction physiologique, d’une voie métabolique, d’une molécule, ainsi l’image obtenu dépend étroitement de lui. On l’administre généralement par voie intraveineuse et dans certains cas par ventilation en fonction de l’élément recherché. La détection se fera au niveau externe et on localise le traceur à l’intérieur du patient. Injection (ou inhalation ou ingestion) distribution/fixation acquisition
- 5. Il existe deuxtechniques, qui sont la scintigraphie monophotonique et la tomographie par émission de positon. Le principe fondamental de cette imagerie qui la différencie par rapport aux autres types d’imagerie: - Imagerie par émission : à l’inverse du scanner où la source émet des rayons X qui traversent le patient et enregistre ce qui à la sortie (imagerie par transmission), dans le cas de la scintigraphie la source est à l’intérieur du patient grâce au radiotraceur qui a été injecté, ce qu’on appelle une imagerie par émission c’est-à–dire que l’image résultante dépend des photons qui sont à l’intérieur du patient.
- 6.
- 7. Le noyau Unité demasse : l’unité de masse nucléaire u est définie de sorte que un noyau de 12 C vaille exactement 12 u. 1 u = 931.478 MeV = 1.49 10-10 J = 1.658 10-24 g Particule masse g masse eV dimension charge Électron 9.11 10-28 511.01KeV 10 -12 mm 1.6 10-19 C proton 1.672 10-24 938.26MeV 10 -10 mm 1.6 10-19 C neutron 1.674 10-24 939.55MeV 10 -10 mm 0
- 8. Energie de liaisonentre nucléons. La différence entre la masse nucléaire d’un élément et la masse de l’ensemble de ses nucléons constitutifs est appelée « défaut de masse » puisque négative. Elle représente l’énergie totale de liaison des nucléons. Btot(A,Z) = [ZxMp + NxMn – M(A,Z)] c2 avec Mp, Mn masses du proton, neutron et M(A,Z) la masse du noyau de l’élément Z. 2 He2 4 --> 2 n° = 2x 1.00898 = 2.01796 uma --> 2 p+= 2x 1.00813 = 2.01626 uma masse= 4,00390 au lieu de = 4.03422 uma soit un défaut de masse de 0,03032 uma soit énergie de 0,03032x1,66.10-24 (g)x 9.1013 = 4,53.10-12 J ou (/1,6.10-19 )= 2,83.107 eV soit 7 MeV/nucléon.
- 9. Stabilité. Un noyau estd'autant plus stable que son énergie de liaison moyenne par nucléon est grande. Pour les noyaux stables légers: N=Z Pour les noyaux stables lourds: N>Z Sous la courbe Z-2, N-2 + Z-1, N+1 Au dessus de la courbe - Z+1, N-1.
- 10.
- 11. La radioactivité Définition :phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se désintègrent en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers, pour se transmuter en des noyaux atomiques plus stables. Deux types d’isotopes radioactifs sont utilisés en médecine nucléaire • les émetteurs (Tomographie par Émission MonoPhotonique) • les émetteurs + (Tomographie par Émission de Positons)
- 12. Les isotopes radioactifs Lesrayonnements alpha, constitués de noyaux d'hélium, sont arrêtés par une feuille de papier. Les rayonnements bêta, constitués d'électrons (- ) ou de positons (+ ), sont arrêtés par une plaque d'aluminium. Les rayonnements gamma, qui sont des ondes électromagnétiques, sont atténués quand ils pénètrent de la matière. Rappel : 3 types de rayonnements peuvent être libérés lors de la désintégration d’éléments radioactifs
- 13. Propriétés des isotopes radioactifs Lesrayonnements ne sont pas utilisés car ils ont une radiotoxicité importante : ils sont vite absorbés, et donc ils perdent leur énergie près de leur lieu d’émission, de façon concentrée et destructrice. Les rayonnements sont moins radiotoxiques. De plus, ils peuvent traverser d’importantes épaisseurs de matière, permettant ainsi leur détection par un dispositif externe, lorsqu’ils ont été émis à l’intérieur d’un organisme. Les rayonnements + (positon ou positron) s’annihile à la fin de leur parcours avec un électron rencontré sur le passage en formant deux photons .
- 14. Caractérisation des isotopes radioactifs p b eT T T 1 1 1 Tp : Demi-vie physique Tb : Demi-vie biologique Demi-vie (période): La demi-vie effective Te est définie comme le temps au bout duquel la moitié d’une quantité initiale quelconque a disparu de l’organisme. Tb La demi-vie biologique désigne le temps nécessaire pour que la moitié d’une substance radioactive introduite dans un organisme vivant soit éliminée naturellement, c’est-à-dire par les processus biologiques (urine, sueur, respiration, etc.), indépendamment de la désintégration radioactive Tp La demi-vie physique est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs d’un échantillon se désintègrent.
- 15. Emission alpha ZXN A -->Z-2 X’ N-2 A-4 + 2He2 4 Mode de désintégration de certains noyaux lourds (A>>) Exemple: U238 ---> Th234 + He4
- 16. Emission béta ZXN A -->Z+1X’N-1 A + e- Transformation d’un neutron en proton (N-1, Z+1) et électron (conservation de charge) ou plus précisément d’un quark d en quark u par interaction faible (conservation du nb de hadrons) mais l’apparition d’un e- nécessite la présence d’un autre lepton neutre de masse négligeable: l’antineutrino (conservation du nb de leptons).
- 17. Emission beta - Emissionbeta + Exemple : I131 --> Xe131 + e- Exemple : F18 ---> O18 + e+ neutron proton (N-1, Z+1) proton en neutron (Z-1, N+1)
- 18. Emission gamma ZX*N A -->ZXN A + E* Transition d’une couche à E> vers une couche libre d’E< avec émission d’un photon qui emporte la différence d’énergie. Exemple : Mo99 --> Tc99m --> Tc99
- 19. Fission. Un noyau lourdse fractionne en 2 noyaux de masse proche soit spontanément soit par capture d’un neutron. U235 (El 7.5MeV/n) fragments (El +- 8.4MeV/n) Les 235 nucléons sont conservés mais avec une énergie de liaison moyenne diminuée de +-0.9MeV soit une libération d’énergie E= +-200MeV. Le noyau d’U235 n’est pas fissible spontanément mais a besoin d’un apport externe d’énergie de 5-6 MeV fournie par un neutron lent.
- 20.
- 21. Capture électronique. La captured'un électron par le noyau ne s’explique que par l’interaction faible : un proton du noyau est transformé en neutron , sa charge électrique diminue d'une unité, ce qui corrige la composition d'un noyau trop riche en protons.(cf +) La probabilité qu'un e- , même de la couche K (interne), se retrouve dans le noyau est faible mais pas nulle. L’atome Z-1 réorganise son cortège e- et émet des rX
- 22. Conversion interne. La conversioninterne est un autre mode de désexcitation qui est toujours en compétition avec l'émission . L'énergie d'excitation est directement transmise du noyau à un électron de la couche interne (couches K ou L ) qui s'échappe de l'atome. Le réarrangement du cortège électronique provoque l'émission de rayonnements X. A la différence des électrons bêta émis par le noyau dans le phénomène de radioactivité bêta et qui présentent une répartition continue de leur énergie, les électrons de conversion interne sont monoénergétiques (cf couches E noyau). Exemple: 137 Cs 137 Ba (-)
- 23. Conversion interne. Le Csse désintègre par émission - pour donner du Ba. Le noyau de Ba est dans son état fondamental (5.4%) ou dans un état exité (94.6%) Le Ba retombe dans son état fondamental par émission (95.6%) ou par conversion interne K,L,M (2.8,1.3
- 24. Transition isomérique. Certains nucléidespeuvent coexister sous deux états d’énergie différente. Par exemple, le césium 135, émetteur - de période 2,3 · 106 années, possède un état métastable (isomère) de demi-vie 53 minutes. Le césium métastable retourne à son état fondamental par transition isomérique en émettant un rayonnement : transition isomérique (A,Z)* --> (A,Z) Ces états métastables proviennent généralement de la désintégration d’un produit « mère » donnant un produit « fille » non totalement dans son état fondamental. Ni la conversion interne ni la transition isomérique n'ont lieu avec un changement de numéro atomique. Exemple : le Tc99m ---> Tc99
- 25. Les radiotraceurs Définition :Un traceur radioactif ou radiotraceur ou radiopharmaceutique est composé d’un radio-isotope, appelé marqueur, qui est éventuellement associé à une molécule appelée vecteur. radiotraceur = molécule porteuse + isotope radioactif = + (vecteur) (marqueur)
- 26. Les radiotraceurs Propriétés : •Être spécifiques d'un organe, d'une fonction ou d'une pathologie. • Avoir une période (de quelques heures à quelques jours) et une énergie (50 à 600 keV) adaptée à la détection • Ne pas être toxiques sur le plan biologique et radiotoxicologique • Pouvoir être utilisés à de très faible concentration de manière à ne pas modifier le métabolisme de l'organe étudié. •être stable afin de permettre la détection externe du seul métabolisme pour lequel il est employé
- 27. Production des radioéléments cyclotron Bombardement denoyaux stables par des protons Émetteur Émetteur
- 28. Mode d’administration Il existedifférents modes d’administration des radioisotopes : • seul (ex. xénon 133 Xe) • associé à des molécules non biologiques (ex. pertechnétate de sodium ) • associé à des molécules biologiques (ex. 99m Tc associé à la sérum-albumine) • associé à des structures présentes dans l’organisme (ex. 99m Tc dans des hématies, 111 In dans des plaquettes sanguines)
- 29. Réactions avec neutrons thermiqueset rapides Neutrons thermiques (≈ 0,025 eV) Neutrons lents, facilement capturés par les noyaux. Utilisés pour des réactions de capture (n,γ) ou de fission. → Exemples : 235U(n,f)U{235} — fission de l’uranium-235 59Co(n,γ)60Co — production du cobalt-60 14N(n,p)14C — production de 14C Neutrons rapides (> 1 MeV) Neutrons à haute énergie provoquant des réactions de fission, (n,p), (n,α) ou transmutation. → Utilisés pour produire certains radionucléides et étudier la structure nucléaire.
- 31. Exemples d’émetteurs IsotopesÉnergie gamma (keV) Demi-vie physique (heures) Technétium 99m Tc 140 6 Iode 123 I 159 13 Thallium 201 Tl 75 et 135 73 Xénon 133 Xe 81 127 Indium 111 In 173 et 247 67
- 32. Exemples d’émetteurs IsotopesÉnergie gamma (keV) Demi-vie physique (heures) Technétium 99m Tc 140 6 Iode 123 I 159 13 Thallium 201 Tl 75 et 135 73 Xénon 133 Xe 81 127 Indium 111 In 173 et 247 67
- 33. Technétium (métastable) 99m Tc Le technétiumest le radio-élément le plus utilisé en TEMP car il présente plusieurs avantages : • Les photons gamma qu’il émet ont une énergie optimale pour un maximum de sensibilité des systèmes usuels de détection. • Sa demi-vie physique est de 6h : elle est par conséquent assez brève pour limiter l’irradiation du sujet, et assez longue pour que la décroissance soit négligeable lors des acquisitions durant quelques minutes. • Cet élément est facilement disponible en routine. • Il peut être associé à de nombreuses molécules ayant un intérêt biologique. • Il est relativement peu coûteux par rapport à d’autres isotopes.
- 34.
- 35. Applications cliniques • visualisationde métastases osseuses • recherche de nodules thyroïdiens hyper ou hypoactifs • diagnostic d’embolie pulmonaire • étude de la viabilité myocardique • mesure de la fraction d’éjection du ventricule gauche • recherche de sténose artérielle rénale • estimation de la vascularisation d’un greffon rénal • accidents vasculaires cérébraux, ischémies, anévrismes • recherche et localisation de rates surnuméraires • recherche d’une hémorragie digestive • recherche de foyers infectieux • visualisation de certaines cellules tumorales (entre autres : tractus gastro-intestinal, pancréas endocrine, cortico-surrénales, cerveau…) • etc…
- 36. La gamma caméra •Inventé par Anger en 1953 • Objectif : donner une image planaire représentant la projection de la concentration radioactive Gamma caméra
- 37. Principe du générateur L’élutionconsiste à mettre un flacon stérile à faible pression pour aspirer la solution de serum physiologique stérile à travers le substrat contenant le Mo99 + Tc99m ; filter avec de l’alumine pour ne laisser passer que le Tc99m.
- 38. La quantité deTc99m obtenue dépend - de l’activité en Mo99 au moment de l’élution - de la conversion Mo99àTc99m (91%) - du moment de la dernière élution Elution
- 39. Vue d’ensemble Calculateur deposition et d’énergie Reconstruction, traitements et visualisation Collimateur Cristal scintillateur Guide de lumière Photomultiplicateurs
- 40. Détection de rayon Cristal scintillateur Photomultiplicateurs
- 41. Détecteurs de rayon Trois types de détecteurs : • détecteurs à gaz • semi-conducteurs • scintillateurs Objectif : convertir chaque photon en un signal mesurable, proportionnel à l’énergie du photon incident Deux principes physiques mis en jeu : • effet photoélectrique • diffusion Compton
- 42. Bases physiques dela détection L’effet photo-électrique
- 43. Bases physiques dela détection L’effet Compton (diffusion) E E E '
- 44. Détecteurs à gaz •les plus anciens détecteurs de rayons gamma. • détection de type directe. Photons gamma E e e e A Courant proportionnel à l’énergie des photons incidents gaz
- 45. Détecteurs à semi- conducteurs •Sans doute les détecteurs de l’avenir • Principe similaire aux détecteurs à gaz Photons gamma E A Courant proportionnel à l’énergie des photons incidents Semi-conducteur
- 46. Scintillateurs • le plusutilisé actuellement en médecine nucléaire • association d’un cristal (généralement d’iodure de sodium avec des traces de thallium : NaI(Tl)) et d’un photomultiplicateur. • détection indirecte
- 47. Photo-multiplicateur • 1 photon-> photocathode -> 1 électron (effet photoélectrique) • 1 électron (accéléré par champ électrique) -> dynode -> N électrons • Dizaine de dynodes => amplification de 107 • Courant total proportionnel à l’énergie du photon incident
- 48. Problème de saturation 250ns 0 t => Intégration de l’aire sous la courbe Émission lumineuse de durée non nulle ! => Temps mort de ~1ms durant lequel aucun autre évènement ne peut être traité => Le signal de sortie n’augmente plus au-delà d’un certain seuil de photons
- 49. Gamma Caméra Cristal scintillateur Photomultiplicateurs Commentfaire pour avoir une image de projection ?
- 50. Le collimateur Cristal scintillateur Photomultiplicateurs Collimateur Plaquede plomb percée de trous
- 51. Le collimateur Collimateur septum Caractérisation : •largeur des trous : plus les trous sont petits, meilleure est la résolution, mais moins bon est le taux de comptage • profondeur des trous : limite le nombre de photons qui ne sont pas tout à fait perpendiculaires au détecteur • largeur des septa : calculée pour une atténuation d'au moins 95% de l'énergie des photons les traversant • efficacité : L'efficacité d'un collimateur correspond à la fraction des rayonnements participant effectivement à l'image (~1 / 10 000)
- 52. Le collimateur Différents typesde collimateurs :
- 53. Système électronique Calculateur deposition et d’énergie Collimateur Cristal scintillateur Photomultiplicateurs
- 54. Localisation spatiale Comment obtenirune image ayant une résolution de 3~5mm avec des PM de ~5cm de diamètre ?
- 55. Localisation spatiale Photon scintillation x i E i x i i i photon photonx E E x 1 photon i i total E E E
- 56. Limites de larésolution spatiale Limite principalement liée au collimateur : => largeur des septas suffisant pour limiter la pénétration des gamma Limite liée à la variabilité statistique de la scintillation 1 Photon 100 photons émis lors de la scintillation En théorie 50 50 En pratique 45 55
- 57. Détection de plusieursphotons Photon Photon => Les deux photons sont détectés
- 58. Détection de plusieursphotons Photon Photon => Aucun des photons n’est détecté
- 59. Le guide delumière Collimateur Cristal scintillateur Guide de lumière Photomultiplicateurs Rôle du guide de lumière (plaque de verre) : • adaptation d'indice de réfraction entre le cristal Na I (indice très élevé) et le vide des photomultiplicateurs (indice = 1). • éloignement des photomultiplicateurs par rapport au cristal Calculateur de position et d’énergie
- 60. Spectroscopie Spectre de l’iode123 photopic Photons diffusés par effet Compton
- 61.
- 62. Récapitulatif Calculateur de positionet d’énergie Collimateur Cristal scintillateur Guide de lumière Photomultiplicateurs
- 63. Exemples de gammacaméras
- 64. Exemples de gammacaméras Caméra double têtes
- 65. Faut-il avoir peurde la médecine nucléaire ??? Est-ce que c’est dangereux ???
- 66. Mesure de laradioactivité Grandeurs objectives : • Bequerel (Bq) : Nombre de désintégrations par seconde • Curie (Ci) : Activité d’un gramme de Radium (37 Bq = 1 nCi ) • Gray (Gy) : énergie reçue par unité de masse (J.Kg-1 ) • Rad (Rd) : 1 Gy = 100 Rd Grandeur subjective : • Dose équivalente : mesure de dose cumulée d'exposition continue aux radiations ionisantes durant une année, avec des facteurs de pondération. -> Sievert (Sv) -> Rem (rad equivalent man ) : 1 rem = 10 mSv
- 67. Sievert Q S D E E :dose équivalente D : dose physiquement absorbée S : sensibilité du tissu, faible pour les muscles ou la peau, mais important pour les gonades, le système nerveux, les cellules de la moelle osseuse ou de l'intestin Q : paramètre qui dépend de la nature du rayonnement. Il est égal à 1 pour les rayons gamma et bêta, à 5 pour les rayons alpha, et à 20 lors d'une irradiation par les neutrons.
- 68. Becquerel => Compte lenombre de pommes
- 69. Gray => Vitesse despommes différentes en fonction de la hauteur
- 70. Sievert => chaque pommequi tombe ne cause pas le même dégât.
- 71. Quel risque, pourquelle dose… •10 Sv en une fois : dommages immédiats entraînant la mort en quelques semaines. • Entre 4 et 10 Sv : dommages sérieux et irréversibles et les risques de mortalité augmentent avec la dose. • Entre 2 et 4 Sv en une fois : dommages sérieux mais non définitifs • 1 Sv en une fois : nausées, baisse des globules blancs. Retour à la normale en peu de temps. • 1 Sv accumulé sur un temps plus long entraîne une augmentation du risque de développer un cancer mortel d'environ 5% plusieurs années plus tard. • 50 mSv/an est la plus petite dose à partir de laquelle on ne peut prouver l'apparition de cancers. Au delà de cette valeur, le nombre de cancers (mais pas de leur gravité) augmente avec la dose. •20 mSv/an moyenné sur 5 ans : c'est la limite légale que peuvent recevoir les travailleurs du nucléaire. •2-10 mSv/an : radioactivité naturelle moyenne •1 mSv/an : c'est la limite légale que peut recevoir le public (au dessus de la radioactivité naturelle). Source : http://lpsc.in2p3.fr/
- 72. Irradiation médicale Radiographie pulmonaire 0,3 mSv Scintigraphie thyroïdienne 0,25 mSv Scintigraphie osseuse 4 mSv Scanner abdominal 15 mSv • Doses lors d’examens cliniques : Haute Autorité Sanitaire : http://www.has-sante.fr/ => Guide du bon usage des examens d'imagerie médicale => Compromis entre Risque encouru et Bénéfice attendu
Notes de l'éditeur
- #35 Par exemple, on réalise des images de la thyroïde en injectant de l’iode, pour lequel cette glande a une grande affinité ; le xénon, de part sa nature gazeuse et sa solubilité, convient bien aux études pulmonaires ; le thallium, qui a des propriétés chimiques et biochimiques voisines de celle du potassium, est ainsi un marqueur du capital potassique intracellulaire, en particulier pour le cœur. Les hématies contenant du technétium permettent de visualiser les cavités cardiaques… Certaines molécules ont été créées pour répondre à un besoin spécifique : l’HMPAO (Hexa-Methyl-Propylène-Amine-Oxime) marqué au technétium se fixe quasiment proportionnellement au débit sanguin cérébral, et permet ainsi de visualiser des zones de perfusion anormale.
- #36 Par exemple, on réalise des images de la thyroïde en injectant de l’iode, pour lequel cette glande a une grande affinité ; le xénon, de part sa nature gazeuse et sa solubilité, convient bien aux études pulmonaires ; le thallium, qui a des propriétés chimiques et biochimiques voisines de celle du potassium, est ainsi un marqueur du capital potassique intracellulaire, en particulier pour le cœur. Les hématies contenant du technétium permettent de visualiser les cavités cardiaques… Certaines molécules ont été créées pour répondre à un besoin spécifique : l’HMPAO (Hexa-Methyl-Propylène-Amine-Oxime) marqué au technétium se fixe quasiment proportionnellement au débit sanguin cérébral, et permet ainsi de visualiser des zones de perfusion anormale.
- #40 Nous avons vu que les isotopes utilisés émettent des photons gamma d’énergie déterminée (voir tableau I). On s’attend donc à mesurer pour chaque photon l’énergie caractéristique de l’isotope utilisé (par exemple, les photons gamma émis par le technétium avec une énergie de 140 keV devraient avoir cette énergie au moment de leur détection). Pour le vérifier, on peut réaliser une spectroscopie : celle-ci consiste à représenter sous forme d’histogramme le nombre de photons recueillis en fonction de leur énergie. On remarque alors que, contrairement à ce qu’on pourrait attendre, cet histogramme ne comprend pas qu’une raie (ou plusieurs raies si l’isotope émet des photons d’énergie différentes). On observe en fait un spectre continu (figure 6), essentiellement parce que entre leur lieu d’émission et leur lieu d’interaction dans le cristal, les photons ont pu interagir avec le milieu traversé, essentiellement par diffusion Compton (voir 2.1.2.). Au cours de ce phénomène, ils ont perdu une proportion variable de leur énergie ; on s’intéresse généralement aux photons dont l’énergie est égale ou voisine de celle de l’isotope considéré, car cela signifie qu’ils n’ont pas été déviés.
- #41 Nous avons vu que les isotopes utilisés émettent des photons gamma d’énergie déterminée (voir tableau I). On s’attend donc à mesurer pour chaque photon l’énergie caractéristique de l’isotope utilisé (par exemple, les photons gamma émis par le technétium avec une énergie de 140 keV devraient avoir cette énergie au moment de leur détection). Pour le vérifier, on peut réaliser une spectroscopie : celle-ci consiste à représenter sous forme d’histogramme le nombre de photons recueillis en fonction de leur énergie. On remarque alors que, contrairement à ce qu’on pourrait attendre, cet histogramme ne comprend pas qu’une raie (ou plusieurs raies si l’isotope émet des photons d’énergie différentes). On observe en fait un spectre continu (figure 6), essentiellement parce que entre leur lieu d’émission et leur lieu d’interaction dans le cristal, les photons ont pu interagir avec le milieu traversé, essentiellement par diffusion Compton (voir 2.1.2.). Au cours de ce phénomène, ils ont perdu une proportion variable de leur énergie ; on s’intéresse généralement aux photons dont l’énergie est égale ou voisine de celle de l’isotope considéré, car cela signifie qu’ils n’ont pas été déviés.
- #43 C’est le phénomène essentiel permettant la détection des photons gamma en Médecine Nucléaire. Un photon gamma percute un électron d’une orbitale interne d’un atome. L’électron est expulsé et on l’appelle alors photo-électron. Un électron d’une orbitale supérieure (donc plus énergétique) vient prendre la place de l’électron expulsé et ce saut s’accompagne de l’émission d’un photon, dit photon de fluorescence (figure 3).
- #44 Alors que la diffusion est un effet indésirable (car on ne sait pas retrouver l’origine du photon gamma une fois dévié), l’effet photo-électrique est à la base de la détection dans les gamma-caméras actuelles, par détection du photon de fluorescence.
- #45 Un photon interagit dans le gaz où règne un champ électrique appliqué par des électrodes. Il perd de l’énergie en ionisant les atomes du milieu. Les charges créées dérivent sous l’action du champ électrique et induisent un courant aux électrodes.
- #46 L’interaction des photons gamma dans le cristal semi-conducteur crée des paires électron-trou. Sous l’action d’un champ électrique appliqué, ces porteurs libres migrent dans le matériau. Le transport des porteurs libres induit un signal de variation de charge aux électrodes du détecteur, proportionnel à l’énergie de l’électron incident. L’interaction des photons gamma dans le cristal semi-conducteur crée des paires électron-trou. Sous l’action d’un champ électrique appliqué, ces porteurs libres migrent dans le matériau. Le transport des porteurs libres induit un signal de variation de charge aux électrodes du détecteur, proportionnel à l’énergie de l’électron incident.
- #47 Dans le cas idéal, lorsqu’un photon gamma interagit avec le cristal, il cède son énergie par effet photoélectrique. Le photoélectron éjecté a une énergie suffisante pour provoquer à son tour l’expulsion de nombreux autres électrons dans le cristal. Un photon de fluorescence (dans le domaine bleu-ultraviolet) est émis pour chaque photoélectron expulsé. On obtient une gerbe de photons isotrope : c’est la scintillation. Une partie de ces photons UV (correspondant à l’angle solide), est détectée par le photomultiplicateur (PM).
- #48 Dynode = électrode qui permet la multiplication d’électrons secondaires Un photo-multiplicateur est une ampoule de verre contenant principalement une photocathode,des dynodes et une anode. Lorsque les photons de scintillation heurtent la cathode, celle-ci émet des électrons (de nouveau par effet photoélectrique) avec une efficacité quantique faible (environ 20 %). Ces électrons sont accélérés depuis la photocathode vers une première dynode du fait de l’application d’un champ électrique d’une centaine de volts entre elles. Ce champ électrique accélère l’électron qui heurte la dynode à grande vitesse : son énergie cinétique est suffisante pour arracher plusieurs électrons à la dynode. Ces électrons vont à leur tour être accélérés vers la dynode suivante, où ils arracheront chacun plusieurs électrons, d’où un phénomène d’amplification. Un PM comprend une dizaine de dynodes, l’amplification peut atteindre 107, avec un très faible bruit. Le courant total est proportionnel à l’énergie du photon gamma incident.
- #49 Il est à noter que l’émission lumineuse (et donc l’impulsion de courant généré à la sortie des PM) a une durée non nulle (de l’ordre de 250 ns pour l’iodure de sodium). Il est nécessaire d’attendre la décroissance du signal pour pouvoir déterminer le courant total, défini par la surface sous la courbe du pulse. Globalement, le temps de traitement d’un événement est de l’ordre de la microseconde. Ce temps, pendant lequel il n’est pas possible de traiter un nouvel événement, est appelé temps mort. Plus le flux de photons gamma est important, plus les temps morts sont nombreux, et donc le nombre d’événements non traités (car survenant durant un temps mort) augmente. On peut ainsi arriver à saturer le système de détection : le nombre de signaux à la sortie des PM n’augmente plus linéairement avec le flux des photons, et même il diminue.
- #60 Une plaque de verre placée entre le cristal et la batterie de photomultiplicateurs, avec des joints optiques (graisse de silicones) entre ces différents milieux transparents, constitue le guide de lumière (il ne s'agit donc pas d'un guide de lumière au sens des fibres optiques utilisées par exemple en endoscopie). Son rôle est double: - une adaptation d'indice de réfraction entre le cristal Na I (indice très élevé) et le vide des photomultiplicateurs (indice = 1). L'interposition d'un milieu d'indice de réfraction intermédiaire (verre) permet d'éviter la transition trop brutale entre le cristal et le vide, et donc d'éviter la réflexion totale des rayons lorsqu'ils sont inclinés par rapport aux interfaces. - l'éloignement des photomultiplicateurs par rapport au cristal. Ainsi, par le jeu des angles solides, un plus grand nombre de photomultiplicateurs reçoivent une quantité mesurable de lumière, et l'effet de l'épaisseur du cristal est atténué, celle-ci devenant faible par rapport à l'épaisseur totale, cristal + guide de lumière.
- #66 Par exemple, on réalise des images de la thyroïde en injectant de l’iode, pour lequel cette glande a une grande affinité ; le xénon, de part sa nature gazeuse et sa solubilité, convient bien aux études pulmonaires ; le thallium, qui a des propriétés chimiques et biochimiques voisines de celle du potassium, est ainsi un marqueur du capital potassique intracellulaire, en particulier pour le cœur. Les hématies contenant du technétium permettent de visualiser les cavités cardiaques… Certaines molécules ont été créées pour répondre à un besoin spécifique : l’HMPAO (Hexa-Methyl-Propylène-Amine-Oxime) marqué au technétium se fixe quasiment proportionnellement au débit sanguin cérébral, et permet ainsi de visualiser des zones de perfusion anormale.