Physique pour la médecine

...la théorie!

Radiothérapie

Chapitre III: Faisceaux   externes: Appareillage.

 

 

Fin du chapitre... III.B. Accélérateur linéaire d'électrons (linac).

 

3)Tête de traitement.

 

La tête de traitement du linac comporte une série d'accessoires fixes, amovibles ou interchangeables qui servent à mettre en forme et à contrôler le faisceau. Le but est d'irradier correctement toute la zone cible, de n'irradier que la zone cible, et d'irradier au mieux la zone cible… en entendant par "au mieux" une dose dont le niveau et la distribution sont conformes à la prescription médicale.

Les modèles de linacs changent d'un constructeur à l'autre et évoluent d'une génération à l'autre… sans disparaître pour autant. Il n'est pas possible de les passer tous en revue. Dans ce qui suit, il faut voir une simple énumération des accessoires qui équipent classiquement une tête de linac, avec pour chacun d'eux une description et/ou un mot d'explication.

 

a.Sélection du mode

 

  • Mode photons: Pour travailler en mode photons on place sur le chemin des électrons une cible qu'ils heurtent et où ils génèrent du rayonnement de freinage (Bremsstrahlung). Les caractéristiques d'un spectre d'émission de type Bremsstrahlung sont exposées par ailleurs, mais on en rappellera tout de même ici la principale: Si l'énergie des électrons est E, les photons présenteront une distribution continue entre 0 et E, importante proche de 0 et qui diminue régulièrement jusqu'à s'annuler en E. Par ailleurs les raies d'émission du matériau cible, importantes en radiologie, ne jouent ici aucun rôle parce que de bien trop faible énergie.

La cible est en principe de Z élevé et est le plus souvent faite de tungstène, mais à haute énergie (au-delà de 15MeV) on privilégie les Z moyens comme le cuivre.

Contrairement à un tube à rayons X où l'anode est massive et où les photons sont émis plutôt vers l'arrière, le rayonnement utilisé ici est obtenu en transmission, directement dans l'axe d'impact des électrons et au travers de la cible. Cela suppose un compromis en ce qui concerne l'épaisseur de cible, qui doit être suffisante que pour arrêter les électrons, mais pas trop importante pour éviter une trop forte absorption des photons.

Des électrons de 8MeV ou de 16MeV, énergies souvent utilisées en mode photons dans les linacs, ont des parcours dans le tungstène de respectivement, et approximativement, 3mm et 4,5mm. Le lecteur qui souhaiterait se lancer dans plus d'évaluations numériques passera utilement par le menu principal, ici à gauche, option liens utiles/données physiques, où il trouvera des liens vers des tables d'atténuation de photons et de parcours des électrons.

  • Mode électrons: La cible, montée sur une glissière ou sur un barillet est escamotée et le faisceau de particules passe librement.

Lire la suite...

Radiothérapie

Chapitre III: Faisceaux   externes: Appareillage.

 

 

Suite du chapitre... III.B. Accélérateur linéaire d'électrons (linac).

 

2)Production du faisceau d'électrons.

 

Le faisceau d'électrons est produit par un canon à électrons assez classique, puis accéléré dans un guide d'ondes alimenté par la source d'énergie, klystron ou magnétron. Pour les machines d'une certaine longueur, il passe finalement par un aimant de déviation qui l'envoie en direction du patient.

 

a.Canon à électrons.

 

Comme dans le tube à rayons X, ou encore au départ d'un klystron, les électrons sont produits par effet thermo-ionique sur un filament chauffé par un courant électrique. Ce filament-cathode est porté à haute tension négative, typiquement -20kV, par rapport à l'anode qui quant à elle est mise à la terre. L'anode est percée en son centre d'un trou par lequel le faisceau sort pour entrer dans la section accélératrice. La cathode s'entoure d'une électrode incurvée, au même potentiel que lui, conçue pour focaliser au mieux les électrons vers ce point de sortie.

 

RadTher IIIB 6                       

 

Entre cathode et anode se trouve éventuellement une troisième électrode, en forme de grille pour pouvoir laisser passer les particules, et qui sert à en réguler le flux. Quand la grille est au même potentiel que le filament, il ne peut y avoir de courant électronique. Lorsqu'elle est portée à une tension supérieure, les électrons obéissent à la différence de potentiel et accélèrent vers l'anode. Plus la tension-grille est élevée, plus le courant-faisceau est intense. En fonctionnement normal, cette tension-grille est appliquée par impulsions synchronisées avec l'onde fournie par le klystron au guide accélérateur, ce qui a pour effet d'envoyer les électrons par paquets au moment où l'onde est dans sa phase accélératrice (voir ci-dessous). A vrai dire, il ne s'agit là que d'une première mise en forme du courant électronique, qui sera complétée dans la première partie du guide, le "buncher" (en anglais, "bunch" veut dire paquet).

Lire la suite...

Radiothérapie

Chapitre III: Faisceaux   externes: Appareillage.

III.B. Accélérateur linéaire d'électrons (linac).

1)Générateurs d'ondes

a.Cavité résonante.

Il sera beaucoup question dans ce qui suit de cavité résonante, élément de base aussi bien dans les générateurs d'onde de type magnétron ou klystron que dans le guide d'onde qui forme la section accélératrice du linac.

Une cavité résonante est un volume creux usiné dans une masse métallique, volume de géométrie sphérique, cylindrique ou de forme rectangulaire, muni d'un canal d'ouverture vers l'extérieur. Une onde électromagnétique incidente sur la cavité peut faire osciller dans la paroi les électrons libres du métal, mouvement d'oscillation qui génère à son tour une onde du même type.

RadTher IIIB 1 

Le mouvement d'oscillation électronique peut être généré par une onde pure mais aussi par toute perturbation de type électromagnétique au voisinage de la cavité, en particulier des particules chargées qui passeraient à proximité.

La cavité privilégie en fait une fréquence particulière, la fréquence de résonance f0, pour laquelle les oscillations acquièrent de l'amplitude, de sorte que l'énergie stockée et réémise devient importante. La valeur de f0 dépend de la forme de la cavité, de sa taille et de la nature du métal qui constitue la paroi. La longueur d'onde λ0 est forcément liée à la taille de la cavité, sans lui être nécessairement égale. Comme nous avons affaire à des objets centimétriques, les ondes concernées se situent dans la gamme des micro-ondes. Les linacs par exemple fonctionnent typiquement sur une fréquence de 3GHz, soit une longueur d'onde de quelque 10cm. A noter que beaucoup d'auteurs parlent de radiofréquences RF plutôt que de micro-ondes, et il est bien vrai que nous sommes ici dans la région floue qui sépare les deux domaines: Le 3GHz par exemple est la limite haute de la gamme radio UHF utilisée pour les GSM ou le Wi-Fi.

Lire la suite...