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8/17/2019 fisicadasradiacoes_7a8

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7. INTERAÇÃO COM A MATÉRIA

7.1 I NTRODUÇÃO

Na área de radiologia e medicina nuclear, otecnólogo deve conhecer tanto a etapa de produçãoda radiação ou as características da radioatividadecomo a forma que as várias formas de emissões irãointeragir com a matéria. Pois é justamente a intera-ção, ou seja, como a energia da radiação ou das partí-culas irá ser transferida para os átomos que compõemo corpo humano ou mesmo do filme radiográfico, por

exemplo. Este conhecimento irá permitir ao tecnólo-go condições de compreender melhor como se dá o processo de formação da imagem, por que todo exa-me radiográfico é nocivo ao paciente, e como fun-cionam as barreiras de proteção e os equipamentosindividuais de proteção. Além disso, poderá perceberque no caso da radiação e da radioatividade, os nú-meros com se trabalham são apenas valores estima-dos ou probabilidades, dificilmente se conseguevalores absolutos.

7.2 I NTERAÇÃO DOS F ÓTONS

A interação dos fótons, sejam raios X ou rai-os γ , com a matéria possui propriedades ora de partí-cula ora de onda, pois as ondas eletromagnéticasinteragem com as estruturas que são semelhantes emtamanho ao seu comprimento de onda. Os raios X possuem comprimento de onda muito pequeno, entre10-9 e 10-11 metros. Estes valores correspondem a e-

nergias entre 1 keV e 100 keV, dentro da relaçãoλ

ch E ⋅⋅⋅⋅==== , onde quanto maior for a energia, menor

será o comprimento de onda. Na maioria dos casos, os fótons de raios X de

baixa energia, grande comprimento de onda, tendema interagir com átomos inteiros, pois estes possuemum diâmetro da ordem de 10-9 e 10-10 metros. Os rai-os X de energia moderada geralmente interagem comos elétrons, enquanto os fótons de alta energia, prin-cipalmente os raios gama, usualmente acabam inte-ragindo com o núcleo dos átomos.

Veremos então, mais detalhadamente comoos fótons interagem com a matéria, ou seja, com ostecidos humanos, sob o ponto de vista físico. Este

estudo é importante para verificarmos como os fato-res da técnica radiográfica, kV e mAs, podem alterara qualidade da imagem radiográfica a partir dos fó-tons obtidos e de sua interação com os tecidos maisdensos ou menos densos. Uma compreensão maisaprofundada deste fenômeno poderá resultar na di-minuição da dose no paciente.

O fenômeno da interação dos fótons com amatéria se dá através de 5 formas distintas:

• espalhamento clássico;• efeito Compton;

• efeito fotoelétrico;• produção de par; e• fotodesintegração.

7.3 E SPALHAMENTO C LÁSSICO

A interação entre a matéria e os fótons de baixa energia, inferiores a 10 keV, acontece normal-mente através do espalhamento clássico, às vezes,chamado também de espalhamento coerente. Estetipo de interação foi primeiro descrito por J. J.Thomson no final do século passado, quando vislum- brou a possibilidade dos fótons interagirem com umelétron da última camada do átomo.

Fótonincidenteλ λλ λ

Fótonespalhado

λ λλ λ = λ λλ λ '

λ λλ λ ́

Figura 7.1. Interação do fóton de baixa energiacom o átomo – espalhamento Rayleigh.

Quando a interação for considerada com o

átomo todo, chama-se espalhamento Rayleigh. Nestecaso, a onda eletromagnética (baixa freqüência) pos-


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38 Parte 1 – F ÍSICA DAS R ADIAÇÕES

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sui comprimento de onda algumas vezes maior que otamanho do átomo alvo. Assim, o comportamento dofóton é mais parecido com uma partícula do que umaonda.

λ '

+

+

+

+

+

+ +

+

++

++ +

+

Fótonincidente

λ λλ λ

Fótonespalhadoλ λλ λ = λ λλ λ '

Figura 7.2. Interação do fóton de baixa energiacom o átomo – espalhamento clássico.

No espalhamento clássico, o fóton incidenteinterage com o átomo alvo deixando-o excitado. Oátomo alvo libera imediatamente este excesso de e-nergia na forma de um fóton disperso com o mesmocomprimento de onda que o fóton incidente (λ = λ '),e conseqüentemente, com a mesma energia. A dire-

ção do fóton disperso é diferente da direção do fótonincidente. O resultado macroscópico final deste pro-cesso é a mudança de direção do fóton (que geral-mente 'segue em frente') sem qualquer mudança deenergia, ou comprimento de onda. Não há transferên-cia de energia e nem ionização do átomo alvo.

Para a radiologia diagnóstica, o espalhamen-to clássico não tem muita importância por envolverfótons de baixa energia, que não contribuem para aformação da imagem. Este fato ocorre por que elessão filtrados logo após a sua geração junto à ampola,e por que, como a interação indica, irão atingir o pa-ciente e espalhar, sem atravessá-lo. Na realidade, oespalhamento clássico pode ocorrer com fótons dequalquer energia, porém a esmagadora maioria seconcentra abaixo dos 10 keV. Por exemplo, um feixede fótons de 70 keV produzirá interações com espa-lhamento clássico em apenas 3 % dos fótons, o queapenas vai contribuir minimamente com o aumentodo borramento da imagem devido aos fótons que a-tingirem o filme após sucessivos espalhamentos pelas paredes. Quando o espalhamento clássico aconteceinternamente no paciente, principalmente em estrutu-

ras mais densas (ossos, por exemplo), acontece ummaior contraste da imagem, pela não incidência destefóton no filme.

7.4 E FEITO C OMPTON

Dentro da faixa de raios X diagnóstico, os fó-tons de energia moderada podem interagir com oselétrons das camadas mais externas do átomo alvo.Esta interação além de espalhar o fóton também re-

duz sua energia e ioniza o átomo alvo. Esta interaçãoé conhecida como efeito Compton ou espalhamentoCompton. No efeito Compton, o fóton incidente inte-rage com o elétron da camada externa, expulsando-oda eletrosfera e, por fim, ionizando o átomo alvo. Ofóton continua então o seu caminho numa direçãodiferente e com menos energia. A energia do fótonespalhado por efeito Compton é igual a diferença en-tre a energia do fóton incidente e a energia do elétronexpulso. A energia do elétron expulso é igual a suaenergia de ligação com o átomo mais a energia ciné-tica que ele adquire ao sair do átomo. Assim, pode-

mos demonstrar o equilíbrio de energia pela equação:

)( cl ei E E E E ++=

onde Ei → Energia do fóton incidenteEe → Energia do fóton espalhadoEl → Energia de ligação do elétronEc → Energia cinética do elétron

Durante a interação por efeito Compton, amaior parte da energia é dividida em duas partes: (a)o fóton espalhado; e (b) o elétron Compton, também

conhecido como elétron secundário.

elétronsecundário

λ λλ λ '

+

+

+

+

+

+ +

+

++

+

+ +

+

Fótonincidente

λ λλ λ

Fótonespalhado

λ λλ λ < λ λλ λ '

Figura 7.3. Efeito Compton: o fóton transfere e-nergia para um elétron e muda de direção.

Geralmente o fóton espalhado mantém a

maior parte da energia, mas tanto o fóton espalhadoquanto o elétron secundário possuem energia sufici-ente para desencadear outros processos de ionização


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I NTERAÇÃO COM A M ATÉRIA 39

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antes de perderem toda a sua energia. Finalmente,como última interação, o fóton espalhado é absorvido por algum átomo. O elétron secundário perde toda asua energia cinética através de outras ionizações eexcitações. Por fim, ele ocupa uma laguna de algumacamada de um átomo qualquer, deixada previamente por algum outro evento de ionização. Neste instante,

ele devolve a energia recebida através da emissão deum fóton, normalmente radiação X, que possui a e-nergia em excesso do elétron secundário.

Os fótons espalhados por efeito Compton podem ser defletidos em qualquer direção, incluindo180o em relação ao fóton incidente. Quando a defle-xão for de 0o, então nenhuma energia foi transferida pois não houve interação. À medida que o ânguloaumenta para 180o, mais energia é transferida para oelétron secundário. Mesmo com deflexões de 180o, ofóton espalhado ainda possui 2/3 de sua energia ini-cial. Os raios X que são espalhados de volta em dire-

ção à sua origem são chamados de radiação refletida. Na radiografia, a radiação refletida por objetos ime-diatamente atrás do chassi pode causar artefatos co-mo o aparecimento das travas do chassi no filme. Nogeral, o efeito Compton ajuda na formação da ima-gem quando o ângulo de desvio do fóton for baixo, econtribui para o aumento da penumbra ou borramen-to quando o ângulo é grande.

7.5 E FEITO F OTOELÉTRICO

Outra forma de interação entre os fótons e osátomos é a ionização de elétrons das camadas inter-nas. Neste caso, o fóton não é espalhado, mas sim- plesmente absorvido. Este processo é conhecidocomo efeito fotoelétrico. O elétron, ou fotoelétron, éremovido do átomo e adquire energia cinética igual ada diferença entre o fóton incidente e sua energia deligação com o átomo. Utilizando a mesma equaçãodo efeito Compton podemos observar o balanço de

energia:cl i

E E E ++++====

onde Ei → Energia do fóton incidenteEl → Energia de ligação do elétronEc → Energia cinética do elétron

Para átomos de baixo número atômico, comoaqueles encontrados no tecidos moles, a energia deligação dos pares de elétrons da camada K é muito baixa. Por exemplo, o carbono possui energia de li-gação de 0,284 keV. Conseqüentemente, o fotoelé-tron é liberado com a energia de ligaçãoaproximadamente igual a energia do fóton incidente.

Por outro lado, átomos de alto número atômico, asenergias de ligação da camada K também são altas. OBário, por exemplo, possui energias de ligação daordem de 37,4 keV para os elétrons da camada K.Com isso, a energia cinética do fotoelétron será pro- porcionalmente menor.

fotoelétron

+

+

+

+

+

++

+

++

++

++

Fótonincidente

λ

Figura 7.4. Fóton transfere toda a energia paraum elétron.

Os raios X característicos são produzidos a- pós uma interação entre dois elétrons, semelhante aoque foi descrito aqui para o efeito fotoelétrico. A ex- pulsão de um fotoelétron da camada K resulta no a-

parecimento de uma lacuna no mesmo local. Esta éuma situação não natural para o átomo e imediata-mente corrigida por um elétron das camadas maisexternas. Geralmente, temos um elétron da camada Locupando a lacuna criada na camada K. Esta transi-ção do elétron entre as camadas é acompanhada pelaemissão de um fóton com energia equivalente a dife-rença entre as energias de ligação das camadas en-volvidas. No entanto, esta transição não ocorreseguidamente. Os raios X característicos, neste caso,são considerados uma radiação secundária e tem ocomportamento igual ao da radiação espalhada. Aradiação secundária não tem nenhuma contribuição para a qualidade do diagnóstico da imagem radiográ-fica, uma vez que tenderá a borrar mais a imagem.

7.6 P RODUÇÃO DE P ARES

Se um fóton incidente possuir muita energia,o que implica num pequeno comprimento de onda,

ele pode escapar da interação com os elétrons da ele-trosfera e chegar perto o suficiente do núcleo do á-tomo para sofrer a influência do forte campo elétrico


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do núcleo. A interação entre o fóton incidente e ocampo elétrico nuclear provoca o desaparecimentodo fóton. Em seu lugar, aparecem dois elétrons, um positivamente carregado, chamado de pósitron, e umnegativamente carregado, um elétron. A este proces-so dá-se o nome de produção de pares.

elétron

+

+

+

+

+

+

+

++

++

++

Fótonincidente

pósitron

+

Figura 7.5. Fótons de alta energia transformam-se em duas partículas.

Pela equivalência entre massa e energia, daTeoria de Einstein, sabe-se que a energia equivalentea massa de um elétron é de 0,51 MeV. Como no pro-cesso de produção de pares são gerados 2 elétrons,

podemos deduzir que a energia mínima do fóton in-cidente deve ser da ordem de 1,02 MeV. Radiação Xcom energia inferior a 1,02 MeV não pode interagircom o núcleo para a produção de pares de elétrons.Se a radiação X possuir energia maior que a necessá-ria, a diferença será dividida igualmente entre as duas partículas na forma de energia cinética. Como os fó-tons produzidos nos equipamentos radiográficosconvencionais geram fótons com energia não superi-or a 0,2 MeV, a interação por produção de pares équase impossível na faixa de raios X diagnóstico. Porisso, só é considerada em radioterapia.

7.7 F OTODESINTEGRAÇÃO

Fótons de altíssima energia, acima de 10MeV, podem escapar da interação com os elétrons ecom o campo elétrico do núcleo e serem totalmenteabsorvidos pelo núcleo. Quando isso acontece, o nú-cleo é elevado a um alto grau energético e instanta-

neamente emite um núcleon ou outro fragmentonuclear. Este processo é conhecido como fotodesin-tegração. Como esta interação envolve fótons de al-

tíssima energia, além de 10 MeV, afotodesintegração, juntamente com a produção de pares de elétrons, raramente acontece na faixa de rai-os X diagnóstico. Porém, é de muita ocorrência naradioterapia e medicina nuclear, sendo muito maléfi-ca por causa de seu alto poder ionizante.

+

+

+

+

+

+

+

++

++

++

Fótonincidente

fragmentonuclear

+

++

Figura 7.6. Fótons de altíssima energia são ab-sorvidos pelo núcleo do átomo.

7.8 I NTERAÇÃO DA R ADIOATIVIDADE

A interação da radioatividade com a matériase dá de forma ligeiramente diferenciada daquela queocorre com os fótons. Por se tratar na maior parte dasvezes de partículas, alfa ou beta, a radioatividade temsua forma própria de atingir e, principalmente, ioni-zar a matéria que se interpõem a sua frente. E doisfatores principais estão associados a esta interação: amassa das partículas e a energia. Estes pontos são bem diferenciados dos fótons em geral, que não temmassa e, especialmente para raios X diagnóstico, que possuem energias bem inferiores as que carregam as partículas α αα α e β ββ β .

Figura 7.7. Interação das diferentes radiaçõesnucleares com a matéria.


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7.9 P ARTÍCULA α αα α

A radiação α, pela sua própria característicade partícula, ou seja, possuir uma massa muito gran-de e, associada ao fato que ela foi expulsa do átomo,grande velocidade, sugere que ela possua um alto

nível de energia. Normalmente, as partículas alfa possuem energia entre 4 e 7 MeV. Esta energia con-centrada permite que a partícula α, ao atravessar 1cm de ar, possa ionizar até 40.000 átomos. Este gran-de número de ionizações acontece por que a partículaα possui carga +2 (dois prótons) e com isso consegueatrair facilmente um elétron (carga -1). No entanto,devido a sua alta velocidade e energia, os elétronsnão conseguem ser capturados pela partícula alfa, oque daria origem ao átomo de Hélio. Daí a explica-ção de se ter muitas ionizações provocadas pela e-missão alfa sem que haja a extinção da própria partícula através da sua transformação em gás Hélio.

Porém, devido a sua grande massa, a intera-ção da partícula alfa com materiais mais densos émuito maior do que os fótons. Nos tecidos moles, aradiação α não penetraria mais do que 100 µm de profundidade. Mas, com alta capacidade de ioniza-ção, a probabilidade de aparecimento de câncer de pele é muitíssimo mais alta do que com fótons e par-tículas beta. Da mesma forma, se inalado materialradioativo emissor de partículas alfa, o dano causadoaos tecidos pulmonares é imenso. E essa inalação

pode ser realizada a partir de sujeira doméstica ou póque sejam contaminados.Em termos de proteção radiológica, muitas

vezes uma folha de papel é o suficiente para bloqueara radiação α, dado a sua grande massa. Além disso,deve-se lembrar que o material radioativo emissor de partícula alfa, torna-se instável eletricamente por fi-car com dois elétrons a mais que o necessário, devidoa expulsão de 2 prótons. Por isso, há um reordena-mento das energias envolvidas no equilíbrio do áto-mo e, havendo a necessidade de emissão de energia,a mesma será realizada sob a forma de radiação γ e

X. Logo, o papel protege o ambiente da radiação α, porém será ineficiente para deter os fótons gama e X.

7.10 P ARTÍCULA β ββ β

A partícula beta, independente de sua carga, positiva ou negativa, não passa de um elétron de altaenergia e velocidade. Logo, a interação destas partí-

culas ocorre da mesma forma que os elétrons gerados por um canhão de elétrons. Radiação característica eradiação de freamento (Bremsstrahlung) são geradas

quando o β-elétron passa por outros átomos. No ar, a partícula beta pode atravessar alguns metros antes dedesaparecer. No tecido mole, o β-elétron não atraves-saria mais de 2 centímetros.

7.11 F ÓTON γ γγ γ

O fóton gama, por não possuir massa, intera-ge com a matéria da mesma forma que a radiação X:efeito Compton, efeito fotoelétrico, produção de pa-res e fotodesintegração. Dada a energia que carregaum fóton γ , não ocorre o espalhamento clássico (e-nergia < 10 keV) e dificilmente ocorre o efeitoCompton. Assim, os fótons interagem mais comu-mente pelo efeito fotoelétrico, produção de pares efotodesintegração.

7.12 N EUTRINO E ANTINEUTRINO

O neutrino e o antineutrino são formas de e-nergia sem carga e praticamente sem massa. Comoviajam a velocidade da luz e possuem muita energia,muito mais que os fótons X e γ , não interagem comoesses com a matéria. Desta forma são considerados

inofensivos e, verdadeiramente, são quase indetectá-veis, justamente pela falta de interação com a maté-ria. Ou seja, não existem sensores capazes deinteragir com eles. Normalmente, a detecção é reali-zada de forma indireta, pelo efeito que o neutrinocausa em outras partículas dos átomos.

7.13 F ILTRAÇÃO DA R ADIAÇÃO

Como foi referido no Capítulo 4, em um fei-xe de raios X, os fótons possuem as mais diferentesenergias. Aqueles fótons que possuem mais energiasão os que, na maioria dos casos, produzirão um efei-to útil na formação da imagem radiológica. Algunsdesses fótons serão absorvidos e outros atravessarãoo organismo, sensibilizando o filme de diferentesmaneiras e mostrando tonalidades de cinza, desde o branco até o preto, de acordo com o tipo de estruturairradiada. Podemos definir filtração de um feixe co-mo sendo uma maneira de aumentar a proporção defótons mais energéticos e diminuir o número de fó-

tons de baixa energia que, como se sabe, servem paraaumentar a dose no paciente.


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7.13.1. Atenuação do feixe de raios X

O conceito de atenuação está vinculado à re-dução de intensidade do feixe, conforme este atraves-sa a matéria. Essa atenuação é provocada porabsorção da radiação pelo meio ou por dispersão dofeixe. Sabemos que um feixe de raios X é composto

por fótons de diferentes energias. Dependendo desuas energias, esses fótons serão mais ou menos ab-sorvidos pelas diferentes estruturas por eles atraves-sadas.

Os fótons de baixa energia vão “ficando pelocaminho”, alterando a porcentagem de atenuação pa-ra menos, à medida que o feixe atravessa a matéria.Vamos ver o que ocorre com a energia média de umfeixe, à medida que este atravessa tecidos moles doorganismo.

- 35%

- 28% 2 o cm

- 22%

1000 fótons Emédia= 45 KeV

Emédia= 56 KeV

Emédia= 62 KeV

Emédia= 66 KeV

650 fótons

468 fótons

365 fótons

3o cm

1o cm

Figura 7.8. Atenuação do feixe ao longo da maté-ria.

Exemplo: Considere um feixe gerado por100 kV, que possui uma energia média de 45 keV.Vamos analisar o comportamento de 1000 desses fó-tons gerados, ao atravessarem 3 cm de tecidos moles

do organismo. Conforme a Figura 7.8, verificamosque, no primeiro centímetro, o número de fótons caiem 35%; no segundo, cai em 28%; no terceiro, caiem 22%, ou seja, a atenuação diminui conforme ofeixe penetra nos tecidos. Ao mesmo tempo em queisto acontece, a energia média do feixe aumenta de45 keV para 66 keV.

7.13.2. Curva de atenuação

A curva de atenuação de um feixe é umaforma de visualizarmos como um determinado feixeé atenuado em função da distância percorrida em um

determinado meio. Ela é obtida pelo registro do nú-mero de fótons, e a medição de suas energias respec-tivas, a cada centímetro atravessado pela radiação.Como mostra a figura ao lado. A curva do gráficomostra que a maior taxa de atenuação ocorre nos primeiros centímetros atravessados.

25

50

75

100

2 4 6 8 10 cm

No

fótons

Figura 7.9. Quantidade de fótons em função da

profundidade de penetração.

7.14 C AMADA S EMI -R EDUTORA

É a espessura de um material que atenua ofeixe em 50% de seu valor original. Cada materialtem o seu poder de atenuação do feixe. O chumboatenua um feixe de 125 kV, desde que tenha uma es-

pessura de 0,25 mm. Logo, a CSR para 125 kV é de0,25 mm de chumbo. A figura abaixo mostra como oorganismo atua na filtração de um feixe.

25 50 75 100Energia dos fótons (keV)

Númerode fótons

Antesfiltração

Frente aopaciente

Depois dopaciente

Figura 7.10. Espectro do feixe de radiação ao lon-go do caminho entre o foco e o filme.

Uma forma de se determinar experimental-mente qual é o valor da CSR necessária para um de-terminado equipamento e técnica é através darealização de medidas com um detector de radiação elâminas de alumínio de várias espessuras. Acompa-nhando as medidas pela tabela abaixo, podemos veri-


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ficar que inicialmente, sem nenhum obstáculo, foimedida uma exposição de 95 mR. Ao colocarmosuma lâmina de alumínio de 0,5 mm de espessura nafrente do medidor de radiação, a exposição caiu para80 mR. Utilizando uma lâmina de 1,0 mm, a exposi-ção foi de 69 mR. Assim, quanto maior a espessurada lâmina de alumínio, menor a radiação que incidia

sobre o aparelho de radiometria. Por fim, analisandoos dados, podemos verificar que se colocássemosuma lâmina de exatos 2,17 mm de espessura, a radia-ção inicial de 96 mR cairia para a metade, 48 mR.Logo, a CSR deste aparelho e técnica (principalmen-te o kV) é de 2,17 mmAl.

Tabela 10. Exemplo de medidas realizadas paradeterminação da camada semi-redutora

Espessura da lâminade alumínio (mm)

Exposiçãomedida (mR)

0,0 96

0,5 811,0 68

1,5 58

2,0 50

2,5 44

3,0 39

7.15 E XERCÍCIOS

1) Cite todas as possibilidades de inte-ração dos fótons com a matéria. Quais delas são im- portantes na radiologia médica? Por quê?

2) Explique, passo a passo, como todaenergia de um fóton incidente é transferida no efeitofotoelétrico.

3) O que é filtração?

4) O que significa mmAl? Onde é usa-do?

5) Complete a coluna da esquerda comas definições da direita.

( ) espalha-mento clássico

a. fótons espalhados de volta (180o)na direção do feixe incidente;

( ) espalha-mento Rayleigh

b. material que possui alta absorçãode fótons de raios X;

( ) efeitoCompton

c. interação absorvente de raios Xna qual os fótons não são espalha-dos, mas totalmente absorvidos peloelétron da camada K;

( ) elétron se-cundário

d. diminuição do número de fótonse de sua energia após a interação(penetração) com uma quantidade dematéria (espessura);

( ) radiaçãorefletida

e. substância usada no auxílio daobtenção de imagens de órgão radio-transparente;

( ) efeito fotoe-

létrico

f. elétron que se libera após a inte-ração com raios X de energia mode-rada no espalhamento Compton;

( ) radiaçãosecundária

g. emissão característica de raios Xapós uma interação fotoelétrica,quando um elétron da camada exter-na preenche a lacuna da camada K;

( ) produção de par

h. interação de raios X de energiamoderada com elétrons de camadasexternas; reduz a energia do fóton eioniza o átomo;

( ) fotodesin-tegração

i. interação de raios X de baixaenergia com o átomo inteiro

( ) radio-opaco

j. absorção direta de raios X de alta

energia pelo núcleo do átomo, pro-vocando a emissão de um fragmentonuclear

( ) radiotrans- parente

k. forma pela qual raios X inciden-tes de baixa energia interagem com amatéria, também conhecida comoespalhamento coerente

( ) atenuação

l. interação na qual um fóton inci-dente desaparece após interagir como núcleo do átomo, criando em seulugar um pósitron e um elétron

( ) agente decontraste

m. característica da estrutura que permite a passagem de raios X


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8. UNIDADES DE R ADIOMETRIA

8.1 T IPOS DE UNIDADES

Mais do que conhecer as formas de radiação,é muito importante conhecer as maneiras de interaçãoda radiação com a matéria. Esta forma de interação passa pela avaliação da quantidade de radiação e desua qualidade, de maneira a especificar o possíveldano que a radiação possa causar, principalmente noser humano.

Para que possamos avaliar, então, a qualida-

de e a quantidade de radiação no meio ambiente, fo-ram criadas algumas grandezas específicas e suasrespectivas unidades de medida. Podemos separarestas grandezas em três grupos distintos, segundo oobjetivo de cada medição:

a) Grandezas que medem a radioatividade,ou seja a emissão de energia e partículas dos radio-nuclídeos: atividade e fluência;

b) Grandezas que procuram quantificar aenergia da radiação: exposição, kerma e dose absor-vida;

c) Grandezas que procuram quantificar aenergia depositada em tecidos humanos e com isso,estimar indiretamente o dano causado no ser huma-no: dose equivalente e dose efetiva;

Só a partir de um conhecimento mais deta-lhado da radiação, sua natureza e sua interação com amatéria, e com formas de medi-la poderemos estabe-lecer níveis seguros para a manipulação e exposiçãoda população e dos trabalhadores à radiação.

8.2 ATIVIDADE (A)

Esta grandeza é utilizada para se medir o processo de decaimento de uma amostra radioativa.A atividade mede o número de transformações queum núcleo radioativo está realizando por unidade detempo. Ou seja, conta-se o número de fótons e partí-culas que o átomo está emitindo num determinado período de tempo e faz-se a média para 1 segundo.Matematicamente, define-se atividade como o módu-lo da derivada da função de decaimento em relação

ao tempo:

t

e N

t

N A

t

O

∂

⋅=

∂

∂=

−λ

t

o e N t A λ λ −⋅=)(

A unidade utilizada para indicar a atividade éo bequerel que representa 1 transformação por se-gundo, cuja abreviatura é Bq. È bom salientar queuma transformação por segundo não significa a emis-são de uma radiação (fóton ou partícula) por segun-do. Deve-se ter em mente que numa transformaçãonuclear podem ser emitidas várias radiações de todosos tipos e de todas as energias. Muitas vezes umatransformação nuclear é confundida com uma desin-tegração nuclear, devido ao antigo conceito de radio-atividade que acreditava que o núcleo ao emitirradiação estaria se desintegrando, ou seja, se destru-indo. Na prática, pelos hábitos desenvolvidos ao lon-go das pesquisas, uma desintegração/segundo éequivalente a uma transformação/segundo e equiva-lente ao becquerel. A razão desta equivalência é que

o tempo de uma transformação nuclear é da ordem de10-9 a 10-13 segundos, tão rápido que ainda não existedetector capaz de distinguir as radiações emitidasneste intervalo de tempo. Assim, no final das contas,o resultado final é apenas uma contagem de emissõesque são capazes de ser detectadas.

Apesar desta considerações e sabendo que asemissões são realizadas em toas as direções e senti-dos (omnidirecional), é possível conhecer a atividadede uma fonte qualquer se a compararmos com umafonte de referência, que tenha a mesma geometria ecaracterísticas físico-químicas.

Antigamente, a atividade era definida pelaunidade curie, abreviada Ci. Esta unidade era defini-da como o número de transformações que um gramade 226Ra realizava por segundo, que é 3,7 x 1010 deca-imentos. Logo, bequerel e curie estão relacionados pelo seguinte fator:

1 Ci = 3,7 x 1010 Bq

Ainda hoje muitos equipamentos de mediçãode atividade utilizam a unidade antiga, inclusive sen-do chamados de curiômetros, ou seja, medidores decuries. Por isso é importante salientar que a diferença

entre as duas unidades é da ordem de bilhões, ou seja, 1 milicurie equivale a 37 milhões de bequerels,


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por exemplo. Assim, devemos tomar cuidado quandoestivermos utilizando as duas unidades ao mesmotempo, seja com equipamentos ou com a prescriçãoradioterápica e as anotações de controles, para que osresultados não sejam misturados ou alterados porcausa da leitura dos valores.

8.3 F LUÊNCIA ( Φ ΦΦ Φ )

Esta grandeza é muita utilizada para a medi-ção de nêutrons em reatores nucleares, por exemplo.A fluência é pois definida como a quantidade de par-tículas que incidem numa esfera. Matematicamente,utiliza-se o conceito de derivada para que se possarealizar a medição a partir de uma área muito peque-na, ou mesmo um ponto.

a

N

∂

∂=Φ

onde, N é o número de partículas emitidas,transferidas ou recebidas;

a é a área em m2 da secção.

A fluência não possui unidade de medida es- pecífica, sendo utilizada apenas as unidades do Si: partículas/m2.

8.4 E XPOSIÇÃO (X)

É uma grandeza que permite avaliar a radia-ção emitida por uma fonte específica a partir de suacapacidade de ionizar uma certa quantidade (massa)de matéria. Ela mede a carga total de mesmo sinalacumulada, por unidade de massa, pelo efeito da inte-ração da radiação com essa massa. A unidade básica para exposição é o roentgen (R), utilizada em substi-

tuição ao sistema internacional. Como ela é dada emcarga por massa (coulomb/quilograma), podemosdefinir o equivalente a 1 R, como segue:

1 R = 2,58 x 10-4 C/kg = 0,258 µC/kg

Pela definição, há necessidade de conheci-mento preciso da massa do volume de material irra-diado e deve-se coletar toda a carga de mesmo sinalnum eletrodo. Isto torna a medição da exposição umatarefa difícil só realizada com uma câmara de ioni-zação de ar.

Esta grandeza só é definida para fótons comenergia inferior a 3 MeV. Cabe salientar que a expo- sição obedece à lei de proporção inversa do quadradoda distância, ou seja, a exposição medida varia inver-

samente com o quadrado da distância até a fonte.Quanto mais longe da fonte de radiação, menor será aexposição.

Quando consideramos a exposição por uni-dade de tempo, ou seja, a TAXA DE EXPOSIÇÃO, de-vemos dividir a exposição pelo tempo em que ela foimedida. A unidade para TAXA DE EXPOSIÇÃO é

mR/hora, ou mR/min.Como exemplo, podemos indicar que umfeixe só de fótons de 60 keV, atinge uma EXPOSIÇÃO de 1 R quando temos em torno de 300 milhões defótons por milímetro quadrado (3 x 108 fóton/mm2).Esta grandeza é útil para medição das característicasde um feixe, relacionando a corrente na ampola (queestá diretamente ligado à quantidade de fótons pro-duzidos) com a EXPOSIÇÃO. Assim, pode-se tomar providências com relação ao controle de radiação emuma determinada área.

8.5 K ERMA

A grandeza KERMA tem seu nome derivadoda abreviação em inglês de K inetic E nergy Released per unit of MAss (energia cinética depositada por u-nidade de massa). Esta grandeza é utilizada para ten-tar medir a energia cinética que os nêutrons e fótons(radiação sem carga elétrica) transferem para prótonse elétrons (partículas carregadas) quando interagemcom a matéria. Não possui uma unidade especial e édesignada apenas pelas grandezas da própria defini-ção: joule (energia) e kilograma (massa), ou, J/Kg.

É comum especificar a radiação presente nomeio ambiente como o “kerma no ar”, em substitui-ção a medidas de EXPOSIÇÃO (em Roentgen), quandoa avaliação for feita no ar. A EXPOSIÇÃO também pode ser substituída pelo kerma quando a medida forfeita na água. Estas substituições são possíveis porque tanto a radiação ionizante quanto a não ionizante possuem energia cinética e podem interagir com a

matéria, sendo, portanto, o KERMA mais abrangenteque a EXPOSIÇÃO.

8.6 DOSE ABSORVIDA (D)

Essa grandeza mede, diferentemente da ex- posição, a quantidade de energia depositada em umadeterminada massa de um meio absorvente. Esta e-nergia pode ser de qualquer tipo, cinética ou elétrica

(carga), independente da fonte de radiação. A unida-de de medida é semelhante ao de KERMA, porém pos-sui uma designação própria: a letra D.


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U NIDADES DE R ADIOAMETRIA 47

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D = joule /kg

Sua unidade, também própria, é chamada degray (Gy), onde 1 Gy é equivalente a 1 joule de ener-gia depositada em 1 kilograma, defino pela ICRU nadécada de 1980. Até então, em vez de joule, utiliza-va-se o erg como unidade de medida de energia e adose absorvida era medida em erg por grama. Nesta

relação, existia uma unidade específica chama rad (r adiation absorved d ose), onde 1 rad = 100 erg/g.A relação entre a nova unidade Gy e a antiga, rad, é

1 Gy = 100 rad ou 1 rad = 10 mGy

Se dividirmos a dose absorvida pelo tempode medição, teremos a Taxa de Dose Absorvida, ouGy/s, mGy/s, etc.

8.6.1. Relação entre exposição e dose ab-sorvida

Quando se conhece a dose absorvida, pode-se chegar ao valor da exposição, a partir da expres-são: D = f . X

O fator que relaciona as duas grandezas,FATOR -F ou fator de conversão Roentgen para rad,depende da energia dos raios X. Ou seja, depende datensão aplicada à ampola (kV) e do meio absorvente,seja pele, músculo ou osso. Esta relação serve paraque se possa avaliar a dose de entrada na pele de um paciente. A tabela 10 apresenta alguns valores de fa-tores-f usados para conversão da exposição em dose

absorvida.

Tabela 11. Fator-f utilizado para conversão deexposição em dose absorvida.

Gordura Músculo OssoFluoretode lítio

Z = 6,5 Z = 7,6 Z = 12,3 Z = 8,3

Energiado Fóton

(keV)ρ = 0,92 ρ = 1,04 ρ = 1,65 ρ = 2,7

30 0,53 0,92 4,4 1,0750 0,66 0,94 3,6 0,98

100 0,91 0,96 1,5 0,84150 0,96 0,96 1,1 0,82

Z = número atômico médio dos átomos;ρ = densidade (g/cm3) da matéria.

8.7 DOSE E QUIVALENTE (H)

A dose equivalente de uma radiação é umagrandeza que considera a capacidade de uma radia-ção em provocar danos biológicos. Este tipo de gran-deza é utilizada para avaliação da proteçãoradiológica. Essa capacidade é dada por um fator Q,que avalia a energia cedida por uma determinada ra-

diação ao atravessar uma certa distância em um de-terminado meio. Esta transferência é conhecida porLET (l inear energy t ransfer , ou, transferência linearde energia).

A LET representa a energia absorvida pelomeio por unidade linear de propagação, ou seja, maisespecificamente, kiloeletronvolts por micrometro

(keV/µm). Para um determinado meio, a LET é pro- porcional ao quadrado da carga da partícula e estáinversamente relacionada à energia cinética da partí-cula. Assim, partículas de baixa velocidade comgrande carga elétrica, como é o caso das partículasalfa, são as que apresentam a mais alta LET. Nêu-trons, prótons, partículas alfa e íons pesados são radi-ações de alta LET com valores variando entre 3 a 200keV/µm. Fótons gama ou X, elétrons e pósitrons sãoradiações de baixo LET, pois os valores estão com- preendidos na faixa de 0,2 a 3 keV/µm. As radiaçõesde alta transferência linear de energia são muito mais

preocupantes por serem mais efetivas na produção deum dano biológico que as radiações de baixa transfe-rência.

A relação entre a dose equivalente e a doseabsorvida é H = Q x D

O fator Q depende da transferência de ener-gia da radiação (LET) para o meio. Assim, para ocaso da radiação X, o fator Q vale 1 e, portanto, asduas grandezas se equivalem, sendo que a DOSEEQUIVALENTE é mais utilizada em planejamento de proteção radiológica, sejam barreiras ou equipamen-tos de proteção individual. Para radiações do tipo al-fa, o fator Q pode chegar a 20. Logo, podemos dizerque a radiação α é 20 vezes mais danosa que os fó-tons X.

A unidade que mede DOSE EQUIVALENTE é osievert (Sv), que é igual ao gray (Gy), ou seja,1 J/Kg. A unidade usada antigamente era o rem (r a-diation equivalent man) e a equivalência entre elas édada por:

1 Sv = 100 rem ou 1 rem = 10 mSv

Tabela 12. Valores de Q para alguns tipos de ra-diação.

Tipo de Radiação Fator Q

Raios X, raios γ e elétrons 1Prótons e partícula com 1 unidade decarga, com massa de repouso maiorque uma unidade atômica e de ener-gia desconhecida

10

Nêutrons com energia desconhecida 20Radiação e demais partículas commais do que 1 unidade de carga

20


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A Taxa de Dose Equivalente é obtida peladivisão da dose equivalente pelo tempo, como, porexemplo HT = H / t . Sua unidade é o Sievert/s, ouSv/h, por exemplo.

Existe uma relação genérica simplificada que permite que obtenhamos os valores numéricos deexposição (E), dose absorvida (D) e dose equivalente

(H) a partir de qualquer uma delas:1 R = 1 rad = 1 rem

Como, 1 Gy = 1 Sv = 100 rad = 100 rem, ouainda que 100 R= 1 Gy = 1 Sv.

8.8 DOSE EFETIVA (E)

A dose equivalente é normalmente calculada

para cada órgão em separado do corpo humano. Adefinição de dose efetiva procura calcular o dano bio-lógico causado em todo o corpo humano, através dosdanos parciais causados em cada órgão. Assim, a do-se efetiva é apenas o somatório ponderado das dosesequivalentes de cada órgão. Matematicamente, tería-mos:

∑ ⋅=T

T T H w E

onde T é cada um dos tecidos ou órgãos do corpo;wT é o fator de peso para o tecido ou órgão T;HT é a dose equivalente no tecido ou órgão T.

A soma de todos os pesos atribuídos será i-gual 1, como mostra a tabela 13. Isto é evidente poisa dose em cada órgão ou tecido tem de ser uma par-cela do total de dose absorvida pelo corpo.

Tabela 13. Valores de wT para alguns tecidos eórgãos.

Órgão ou tecido Fator wT pela ICRP 60Bexiga 0,05Cólon 0,12Esôfago 0,05Estômago 0,05Fígado 0,05Gônadas 0,20Mama 0,05Medula óssea 0,12Medula vermelha 0,12Pele 0,01Pulmão 0,12Superfície óssea 0,05Tireóide 0,01

Restantes 0,00

Tabela 14. Resumo das unidades radiométricas.

GrandezaUnidade

EspecíficaUnidade

Básica (SI)Aplicações

(E) EXPOSIÇÃO ROENTGEN coulomb/kg Dosimetria de área

KERMA joule/kgDosimetria de áre-a, sobretudo no ar

(D) DOSE ABSORVIDA

GRAY (GY) joule/kgDose no paciente

Dose-Tumor

(H) DOSE EQUIVALENTE

SIEVERT

(SV) joule/kg Limite de dose

(E) DOSE EFETIVA

SIEVERT

(SV) joule/kg Limite de dose

8.9 E XERCÍCIOS

1) Quais são as unidades de radiometria? Oque cada uma delas mede?

2) Como podemos converter uma unidadeem outra?

3) Por que existem tantas unidades para ava-liar a dose recebida pelo paciente ou técnico?

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