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.


• 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


• 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.


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.


• 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).


• 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


• 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.


• 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.


• 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.


• Quanto maior a energia do feixe, mais fótons

passarão as estruturas e mais preta será a

imagem;


• 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.

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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