princípios de física radiológica

PRINCÍPIOS DE FÍSICA

RADIOLÓGICA

Mon. Giordano Alves

Sumário

• 1. Natureza atômica da matéria

• 2. Radioatividade

• 3. Radiação eletromagnética

• 4. Ionização

• 5. Raios X

• 6. Imagem radiográfica

• 7. Radiobiologia e proteção radiológica

1. Natureza atômica da matéria

• Toda matéria é constituída por átomos

Um núcleo circundado por

elétrons

NÚCLEO: Prótons (+) e Nêutrons (sem carga)

ÓRBITAS: Elétrons (-)

NÚMERO ATÔMICO: número de prótons

NÚMERO DE MASSA: soma entre prótons e nêutrons

• Átomo: alguns pontos densos (núcleos)

cercados por enormes vazios, nos quais estão

as camadas de elétrons orbitais.

1. Natureza atômica da matéria

• Energia de ligação: é o que mantém um

elétron unido ao núcleo, e é maior nas

camadas mais internas;

• Transição:

– Externa: elétron recebe energia

– Interna: elétron cede energia

1. Natureza atômica da matéria

• Vários elementos possuem o mesmo número

atômico, mas diferentes números de massa;

• Estes elementos são denominados isótopos, e

apenas o mais comum é representado na

Tabela Periódica.

1. Natureza atômica da matéria

2. Radioatividade

• Quando um arranjo nuclear possui desequilíbrio

(relação prótons – nêutrons) o núcleo pode

eliminar uma partícula e/ou energia para

alcançar equilíbrio. Átomos com núcleos

instáveis são denominados radioisótopos;

• Radioatividade é a emissão de partículas e

energia por um núcleo para que alcance

estabilidade.

2. Radioatividade

• À medida que o número atômico aumenta, a

quantidade de isótopos e de radioisótopos

também aumenta;

• Exemplos:– Estanho (Sn): 10 isótopos estáveis e 15 radioativos– Tungstênio (W): 74 prótons e 110 nêutrons

• Núcleos muito pesados tendem a ser instáveis.

2. Radioatividade

• Esta desintegração radioativa é um fenômeno

aleatório, porém previsível;

• Além disso, cada radioisótopo possui uma meia-

vida média, que determina seu tempo de

atividade;

2. Radioatividade• Radioatividade natural: possui várias formas. As

mais antigas surgiram com o Universo, como o urânio (t/2 = 703.700.000 anos); outros mais comuns como o Carbono são ativados por raios cósmicos diariamente.

• Radioatividade artificial: equipamentos de alta energia capaz de ativar um elemento, desestabilizando seu núcleo. Nenhum equipamento radiológico tem esta propriedade.

2. Radioatividade

• Os processos pelo qual o núcleo atinge

estabilidade são três: alfa, beta e gama;

• Mesmo após o decaimento radioativo alfa ou

beta, os núcleos geralmente emitem energia sob

a forma de radiação eletromagnética (gama) e

alcançar seu equilíbrio.

2. Radioatividade• Poder de penetração: é a distância percorrida

pelas radiações;

• Como as radiações corpusculares (alfa e beta) têm carga elétrica elas perdem energia ao passar pelo meio material, por interagem com a matéria;

• Ao contrário, a radiação gama não possui carga e sua penetração será maior.

3. Radiação eletromagnética

• Radiação: transporte de energia que se propaga em todas as direções (ex.: som);

• A radiação eletromagnética se propaga sem um meio de transporte (ex.: Sol);

• A onda eletromagnética é complexa, pois tem um componente magnético e outro elétrico.

3. Radiação eletromagnética

• Do ponto de vista radiológico, a frequência é o

mais importante, pois determina a energia

transportada pela onda;

• Fóton: unidade de medida que significa a menor

porção de radiação eletromagnética

quantificável (raio único).

3. Radiação eletromagnética

• A radiação eletromagnética (fótons) possuem

uma peculiaridade:

– Quando se propagam, comportam-se como ondas;

– Quando interagem, comportam-se como partículas.

4. Ionização

• Se uma radiação qualquer carregar

energia igual ou superior àquela de

ligação do elétron com seu núcleo, poderá

ionizar e será dita radiação ionizante;

• Convencionou-se chamar de ionizantes

aquelas que podem ionizar uma pequena

amostra de ar atmosférico (33 eV).

5. Raios X

• São produzidos quando elétrons são lançados

contra um meio material, liberando energia;

• Mas, se todo material é composto por átomos, e

os átomos são enormes vazios, como um

elétron vai colidir com a matéria?

• Por 2 vias: a de freamento e a característica.

É A QUE MAIS PRODUZ RAIOS X

TAMBÉM CHAMADA DE Bremsstrahlung

RECEBE O NOME DE CARACTERÍSTICA PORQUE CADA ELÉTRON, DEPENDENDO DE SEU NÚCLEO E DA CAMADA EM QUE ESTÁ, POSSUI UMA

ENERGIA DE LIGAÇÃO CARACTERÍSTICA.

5. Raios X• Note que um evento pode levar a outro;

• Se o meio for denso o bastante, os elétrons perderão energia rapidamente e penetrarão pouco além da superfície.

Figura 5.3

5. Raios X

• Aspectos práticos na radiografia:

5. Raios X

• O tubo de raio X é instalado dentro de um cabeçote (alumínio);

• O cabeçote possui uma janela;

• A janela possui um colimador;

• O colimador possui um filtro.

5. Raios X• Considerando que o elétron secundário pode

gerar vários raios X, numa cascata de eventos,

conclui-se que a maior parte dos raios X

formados possuem baixa energia;

GRÁFICO ILUSTRANDO A SITUAÇÃO ANTERIOR

EFEITO DA CÚPULA DE VIDRO QUE REVESTE O TUBO DE RAIO X. REPARE QUE OS COM MENOR ENERGIA SÃO ABSORVIDOS

EFEITO DO VIDRO (VERDE) E DO CABEÇOTE DE ALUMÍNIO (AMARELO)

EFEITO DO VIDRO (VERDE), DO CABEÇOTE (AMARELO) E FINALMENTE DO COLIMADOR E FILTRO SOBRE O ESPECTRO DOS RAIOS X

5. Raios X• Finalmente, consideremos – junto à radiação de

freamento – a radiação característica, que

possui caráter aleatório, e não contínuo.

5. Raios X

• Os principais fatores capazes de alterarem o espectro radiográfico são:

– Tensão radiográfica (kV)

– Corrente elétrica (mA)

– Tempo de exposição (por vezes incluído em mAs)

– Filtração adicional

– Material do ânodo

– Tipo de gerador de alta tensão

A QUANTIDADE E ENERGIA TOTAL DE FÓTONS AUMENTA PELO QUADRADO DO FATOR DE INCREMENTO DO KV. O KV DETERMINA

A PENETRABILIDADE DO FEIXE (CONTRASTE RADIOGRÁFICO)

mAs (CORRENTE + TEMPO DE EXPOSIÇÃO). CONTROLA A QUANTIDADE DE FÓTONS, MAS NÃO ALTERA A ENERGIA DELES.

A FILTRAÇÃO DIMINUI A QUANTIDADE DE FÓTONS COM BAIXA ENERGIA, MAS NÃO ALTERA AQUELES COM ALTA ENERGIA.

5. Raios X

• Material do ânodo: o número atômico (Z) afeta a

quantidade e a energia dos fótons de um feixe

de raio X, através da maior eficiência da

radiação por freamento. Principalmente o

Tungstênio, mas também o Molibdênio e o

Ródio são utilizados como ânodo (receptor de

elétrons).

EFEITO DOS GERADORES DE ALTA TENSÃO. QUANTO MAIOR SUA EFICIÊNCIA, MAIOR A QUANTIDADE DE FÓTONS E DE ENERGIA GERADA.

6. Imagem radiográfica

• A interação de um raio X com a matéria é

variável, havendo 3 fenômenos principais:

– Espalhamento coerente

– Espalhamento Compton

– Efeito fotoelétrico

6. Imagem radiográfica

• Espalhamento coerente: fótons de energia baixa

que “perturbam” a órbita dos elétrons e apenas

muda sua direção, sem transferir energia.

Também chamado de espalhamento clássico ou

de Thomson.

6. Imagem radiográfica• Espalhamento Compton: interação com as

camadas mais externas do átomo. Há transferência de energia, inclusive com ionização;

• Quanto maior o ângulo de espelhamento, maior a energia transferida ao elétron (180 graus = retroespelhada ou backscattered radiation);

• Resulta no embaçamento (fog) da imagem, reduzindo seu contraste.

ESPALHAMENTO COMPTON. REPARE COMO O FÓTON MUDA DE DIREÇÃO E AINDA PÕE O ELÉTRON EM MOVIMENTO.

6. Imagem radiográfica

• Efeito fotoelétrico: interação com as camadas

mais internas do átomo.

• O fóton transfere TODA sua energia para o

elétron, havendo ionização;

• Como transfere toda a energia, o fóton

desaparece a seguir.

EFEITO FOTOELÉTRICO. COMO O FÓTON CEDE TODA SUA ENERGIA AO ELÉTRON, ELE DESAPARECE APÓS A COLISÃO. É

DIRETAMENTE PROPORCIONAL AO NÚMERO ATÔMICO E INVERSAMENTE AO CUBO DA ENERGIA.

6. Imagem radiográfica

• Em termos gerais, é importante percebermos

que, para regiões anatômicas com grandes

diferenças de densidades, devemos favorecer a

ocorrência do espalhamento Compton,

enquanto que – naquelas com densidades muito

próximas – o efeito fotoelétrico (menor energia)

deve ser buscado.

6. Imagem radiográfica• Absorção diferencial: é o que permite a

formação da imagem radiográfica.

IMAGENS REPRESENTATIVAS DA ABSORÇÃO DIFERENCIAL

IMPORTANTE: A RADIAÇÃO ESPALHADA, AO ATINGIR O DETECTOR QUE FORMARÁ A IMAGEM, NÃO TRAZ BENEFÍCIOS PARA O DIAGNÓSTICO,

CAUSANDO INDEFINIÇÕES NA IMAGEM. PARA ISSO, UTILIZA-SE A GRADE ANTIDIFUSORA (BUCKY), QUE SERÁ DISCUTIDA ADIANTE.

6. Imagem radiográfica• O registro da absorção diferencial é percebido

através da densidade radiológica (ou densidade

óptica). Ela engloba uma escala de contraste,

que vai do branco ao preto, passando por

diversos tons de cinza.

6. Imagem radiográfica

• Quanto maior a energia do feixe, mais fótons

passarão as estruturas e mais preta será a

imagem;

6. Imagem radiográfica

• Ao aumentar o kV, tornaremos a imagem mais

escura e com maiores quantidades de tons;

• Ao aumentar a mA, tornaremos a imagem mais

escura, mas não se alteram as quantidades de

tons; o mesmo serve para o tempo de exposição.

FINALMENTE, VEJA QUE AO AUMENTAR A DISTÂNCIA ENTRE FOCO E FILME O FLUXO DE FÓTONS POR UNIDADE DE ÁREA

SERÁ REDUZIDO, E A IMAGEM SERÁ MAIS CLARA. ALÉM DISSO, A ÁREA EM ESTUDO SERÁ DISTORCIDA (AUMENTADA).

7. Radiobiologia

Xavier AM. Boas práticas de proteção em radiologia. CNEN.

Xavier AM. Boas práticas de proteção em radiologia. CNEN.

Xavier AM. Boas práticas de proteção em radiologia. CNEN.

7. Radiobiologia

• A exposição do ser humano às radiações

ionizantes podem ser de duas formas:

– Naturais (Principal = “de fundo”)

– Artificiais (Principal = exames médicos)

ENTENDE-SE POR RADIAÇÃO DE FUNDO OS RAIOS CÓSMICOS E VÁRIAS SUBSTÂNCIAS TERRESTRES, COMO O RADÔNIO. NO

BRASIL, MG E ES SÃO OS ESTADOS MAIS EXPOSTOS.

ENTRE OS EXAMES RADIOLÓGICOS, A TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA É A MAIOR CONTRIBUINTE (30%),

ENQUANTO A RADIOGRAFIA DE TÓRAX PERFAZ APENAS 3%.

7. Radiobiologia

• Os efeitos biológicos da radiação ionizante são

pautados na ação do elétron secundário que, ao

interagir com uma molécula de água, gera um

radical hidroxila (OH*) que lesa o DNA celular.

• Divisão prática: etapa física, química e biológica.

7. Radiobiologia

• Os efeitos desta lesão ao DNA podem ser

entendidos de duas maneiras básicas:

– Efeitos determinísticos: efeito agudo que ocorre

devido à perda celular após receber radiação;

– Efeitos estocásticos: envolve o desenvolvimento a

longo prazo de dano, geralmente com malignidade

associada.

7. Radiobiologia

• Principais efeitos estocásticos: CÂNCER

– Cólon– Leucemia– Mama– Pele– Pulmão– Tireóide– Outros (bexiga, cérebro, estômago, fígado…)

SITUAÇÃO ESPECIAL DE RADIAÇÃO FETAL NA GESTAÇÃO: PRINCIPAIS EFEITOS.

Referências

• 1. Bushong SC. Ciência Radiológica para Tecnólogos, 9a edição, Elsevier, 2010.

• 2. Junior JGT. Física Radiológica, 1a edição, Guanabara Koogan, 2010.

• 3. Bonjorno RFS. Física completa, 2a edição, FTD, 2001.

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