UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MATO GROSSO DO SUL

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MATO GROSSO DO SUL SIMONE LOURENÇO DOS SANTOS OS ACELERADORES LINEARES NA RADIOTERAPIA DOURADOS - MS 2007

2 SIMONE LOURENÇO DOS SANTOS OS ACELERADORES LINEARES NA RADIOTERAPIA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Física, como requisito à obtenção do título de Licenciado em Física da Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul. Orientador: Prof. Msc. Emerson Canato Vieira DOURADOS - MS 2007

3 SIMONE LOURENÇO DOS SANTOS OS ACELERADORES LINEARES NA RADIOTERAPIA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Física, como requisito à obtenção do título de Licenciado em Física da Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul Dourados - MS, 23 de Novembro de Prof. Emerson Canato Vieira Profª. Karin Ferraz Prof. Antonio Cesar Aguiar Pinto

4 Dedico este trabalho aos meus pais Iraci e Benedito, que com amor e sabedoria me ensinaram a ser quem sou hoje e ao meu esposo Alex que tanto amo.

5 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus pela minha vida e por todas as oportunidades que tem me proporcionado. A minha família pelo apoio e paciência demonstrada ao longo destes quatro anos de graduação. Ao meu esposo Alex, que se mostrou amoroso, carinhoso, companheiro, entendeu as muitas vezes que não estive presente, me apoiou e sempre me incentivou. Aos professores do curso de Física em geral, pelos conhecimentos transmitidos. Principalmente ao professor Emerson Canato Vieira por ter me orientado neste trabalho. Aos meus colegas de curso, em especial, ao Jorge Luiz e a Maria Sonia, com os quais construí laços de amizade que pretendo que perdurem ao longo da minha vida. Enfim a todos que de alguma forma contribuíram na minha formação.

6 RESUMO O câncer se tornou um problema preocupante entre a população mundial, diante disso, surgiram inúmeros recursos para o tratamento desta doença entre os quais: cirurgia, quimioterapia, hormonoterapia, imuno-terapia e a radioterapia, sendo que podem ser usados em conjunto ou separadamente. A radioterapia faz uso de radiações ionizantes em suas modalidades de tratamento entre as quais está a teleterapia. Nessa modalidade a fonte de radiação fica externa ao paciente, e podem ser utilizados diversos equipamentos. Neste trabalho apresentaremos alguns dos equipamentos utilizados na teleterapia e demonstraremos porque dentre estes os aceleradores lineares oferecem maiores vantagens na sua utilização. PALAVRAS CHAVE: Radiação, Aceleradores de partículas, Radioterapia, Máquinas de teleterapia.

7 SUMÁRIO RESUMO...6 INTRODUÇÃO...8 A INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA Definindo radiação A hipótese de Planck O efeito fotoelétrico A explicação de Einstein para o efeito fotoelétrico O efeito Compton A dualidade onda - partícula Algumas radiações e suas características Radiação alfa Radiação beta Radiação gama Radiação X Radiação de nêutrons Radiação de fundo ou natural...16 ACELERADORES DE PARTÍCULAS Definição de aceleradores Tubos de raios catódicos Aceleradores lineares Aceleradores cíclicos Ciclotron Síncronos Microton...20 RADIOTERAPIA COM FEIXE DE ELÉTRONS E MÁQUINAS DE TELETERAPIA O que é a radioterapia? Motivos para a utilização de feixe de elétrons em radioterapia Energia do feixe de elétrons Raios X de quilovoltagem Terapias com equipamentos de quilovoltagem Terapia de contato Terapia superficial Terapia profunda ou ortovoltagem Equipamentos de telecobaltoterapia...25 ACELERADORES LINEARES O que é este equipamento de megavoltagem? Componentes de um acelerador linear...28 CONCLUSÃO...31 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...32

8 8 CAPÍTULO I INTRODUÇÃO Diante do problema alarmante que o câncer se tornou na vida da população mundial a radioterapia ganhou destaque entre os tratamentos hoje existentes tais como a cirurgia e a quimioterapia. A radioterapia tem por objetivo aplicar a radiação nas células tumorais visando o controle tumoral e o mínimo de danos possíveis aos tecidos vizinhos. A teleterapia, uma modalidade da radioterapia na qual a fonte de radiação não fica em contato direto com a superfície a ser irradiada, utiliza feixes de radiação ionizante no tratamento. Dentre os equipamentos utilizados na teleterapia estão os de quilovoltagem, que oferecem feixes de raios X com energia da ordem de no máximo algumas centenas de quilovolts, os que utilizam como fonte de radiação o césio ou o cobalto sendo denominados de equipamentos de telecobaltoterapia e os aceleradores lineares. O objetivo deste trabalho é demonstrar as vantagens da utilização dos aceleradores lineares na teleterapia ao invés dos outros equipamentos citados acima. Inicialmente foi feito uma discussão sobre a radiação e sua interação com a matéria, depois uma breve descrição de aceleradores de partículas, em seguida a apresentação de alguns equipamentos utilizados em teleterapia e por último os aceleradores lineares. A metodologia utilizada neste trabalho foi a pesquisa bibliográfica.

9 9 CAPÍTULO II A INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA 2.1 Definindo radiação O que vem a ser a radiação? Okuno, Caldas e Chow (1982, p.2) afirmam que a radiação é a propagação de energia sob várias formas, sendo dividida geralmente em dois grupos: radiação corpuscular e radiação eletromagnética. A radiação corpuscular é constituída de feixe de partículas elementares, ou núcleos atômicos, tais como: elétrons, prótons, nêutrons, mêsons π e etc. Uma partícula de massa m que se move com uma velocidade v, sendo v muito menor que c, possui energia cinética dada por: 1 mv 2 K 2 (1) Essa energia também é chamada de energia cinética da radiação, onde c é a velocidade da luz no vácuo e vale aproximadamente 3 x 10 8 m/s. Já a radiação eletromagnética é formada por ondas eletromagnéticas constituídas de campos elétricos e magnéticos oscilantes que se propagam com velocidade constante c no vácuo. Ondas de rádio, raios X, raios ultravioleta e raios gama são exemplos desse tipo de radiação. Uma onda eletromagnética pode ser caracterizada pelas seguintes grandezas: comprimento de onda λ e a freqüência. A relação existente entre tais grandezas é: onde v é a velocidade de propagação da onda. Para uma onda eletromagnética: v (2) c (3) 8 c 3 10 m / s (4) Em muitos casos os comprimentos de onda das radiações eletromagnéticas são muito curtos, sendo conveniente expressá-los em unidades menores que o metro tais como: o

10 10 10 angstrom (Å) que é da ordem de10 m, o nanômetro (nm) da ordem de 10 9 m e o micrometro (µm) da ordem de 10 6 m. 2.2 A hipótese de Planck Max Planck, em 1900, iniciou a formulação de uma teoria que pudesse explicar a distribuição espectral da radiação térmica. (NUSSENZVEIG, 1998, p.246) Seus estudos levaram-no a postular que a troca de energia entre a radiação e os osciladores nas paredes de uma cavidade ocorria de uma maneira quantizada. De acordo com essa teoria, a radiação eletromagnética é emitida e se propaga descontinuamente, em pequenos pulsos de energia, chamados de pacotes de energia, quanta ou fótons (OKUNO; CALDAS; CHOW, 1982, p.3). Sendo que fótons são partículas que não possuem carga, massa e viajam a velocidade da luz. Por Okuno, Caldas e Chow (1982, p.4) o fóton é a menor quantidade de luz que pode ser emitida ou absorvida em qualquer processo. Planck percebeu que todos os fótons associados a uma determinada freqüência, possuem a mesma energia E, sendo esta energia diretamente proporcional a. Assim: E h (5) onde h é uma constante universal chamada constante de Planck e tem valor aproximado de 34 6,63 10 Js. A energia E pode ser calculada também em função do comprimento de onda λ. Utilizando-se a relação expressa na (3), a energia fica: hc E (6)

11 O efeito fotoelétrico O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons de uma superfície devido à incidência de luz sobre a mesma. Este efeito foi descoberto por Henrich Hertz entre 1886 e 1887 quando confirmou a existência das ondas eletromagnéticas, porém foi explicado com maior clareza por Albert Einstein em Figura 1: Diagrama esquemático do aparelho básico para investigar o efeito fotoelétrico. Em 1889 P. Lenard realizando estudos sobrre este efeito, descobriu uma série de características que não condiziam com as esperadas pela teoria ondulatória clássica, como: 1ª - A energia cinética dos fotoelétrons (como eram chamados os elétrons ejetados pela incidência de luz) deveria aumentar ao se intensificar a intensidade da luz incidente, no entanto a energia cinética máxima Kmáx se mostrou independente da intensidade da luz. 2ª - O efeito fotoelétrico deveria ocorrer para qualquer freqüência de luz, entretanto verificou-se que existe para cada material uma freqüência mínima favorável ao efeito fotoelétrico, a mesma é chamada limiar de freqüência. 3ª - O efeito fotoelétrico poderia levar um intervalo de tempo mensurável para ocorrer se a luz incidente na superfície fosse de intensidade fraca, mas experimentalmente nenhum retardamento detectável foi medido. Estas características intrigantes só foram mais bem compreendidas quando Einstein lançou sua teoria quântica sobre o efeito fotoelétrico A explicação de Einstein para o efeito fotoelétrico Einstein com base na proposta de quantização feita por Planck, propôs que a radiação eletromagnética de freqüência consiste de um quanta de energia, isto é, que a energia

12 12 radiante esta quantizada em pacotes concentrados, que mais tarde vieram a ser chamados fótons (EISBERG; RESNICK, 1979, p.54). Esta energia é dada por: elétron. E h (7) Ele partiu da suposição de que um fóton fosse completamente absorvido por um único Assim, quando um elétron fosse ejetado da superfície, sua energia cinética seria: K h w (8) onde h é a energia do fóton incidente e w é o trabalho necessário para arrancar o elétron da superfície do material. Não havendo nenhuma perda de energia durante o processo, o elétron vai emergir com energia cinética máxima. Dessa maneira: K máx h (9) w 0 onde w 0 é a função trabalho do material. Segundo Eisberg e Resnick (1979, p.55) a função trabalho é a energia mínima necessária para um elétron atravessar a superfície do metal e escapar às forças atrativas que normalmente ligam o elétron ao metal. Einstein explicou as características não mal compreendidas pela física clássica da seguinte maneira: 1ª - O fato de a energia cinética máxima ser independente da intensidade da luz, está de acordo com a teoria do fóton, uma vez que aumentando a intensidade da luz aumenta na mesma proporção o número de fótons o que acarreta um aumento na corrente elétrica porém, isso não altera a energia h de cada fóton. 2ª - A existência de uma freqüência limiar é explicada fazendo K máx ser zero na equação (9), assim: h (10) 0 w 0 O que significa que um fóton com freqüência 0 tem exatamente a energia necessária para arrancar os fotoelétrons do material e que se esta freqüência for menor não importando quantos fótons estão formando o feixe de luz incidente, um fóton individualmente não conseguirá arrancar fotoelétrons.

13 13 3ª - A não ocorrência de retardamento temporal é explicada pela hipótese de fóton, já que havendo luz incidente na superfície haverá ao menos um fóton sendo absorvido por algum átomo, causando a imediata ejeção de um fotoelétron. Vale dizer que o efeito fotoelétrico no qual Einstein deu importância ao caráter corpuscular da radiação, foi um marco na física quântica bem como na vida moderna devido às suas aplicações. 2.4 O efeito Compton Arthur H. Compton foi quem confirmou experimentalmente a natureza corpuscular da luz. Ele incidiu um feixe de raios X de comprimento de onda sobre um alvo de grafite, mediu a intensidade dos raios X espalhados para vários ângulos de espalhamento e verificou que tais raios X possuem máximos de intensidade em dois comprimentos de onda, um deles é o mesmo que o comprimento de onda incidente e o outro quantidade.,, é maior que o por uma O deslocamento Compton varia com o ângulo no qual os raios X espalhados são observados e é dado por:, h 1 cos m0c (11) onde é o ângulo de espalhamento e h m c 0 é o comprimento de onda Compton. Os resultados de Compton mostrando a existência de um comprimento de onda compreendidos quando se leva em consideração a natureza corpuscular da radiação., são Diferentemente do efeito fotoelétrico, no efeito Compton os fótons encarados como partículas são espalhados.

14 A dualidade onda - partícula Einstein, em 1905, com o efeito fotoelétrico descobriu o comportamento corpuscular da onda eletromagnética. Quase vinte anos depois, em 1923, Louis de Broglie apresentou uma teoria que dizia que a matéria possuía tanto propriedades corpusculares quanto ondulatórias. p mv De Broglie postulou que o comprimento de onda associado à partículas de momento, seria: h (12) mv que é chamado de comprimento de onda de de Broglie da partícula. Na equação acima vemos a presença de um elemento que caracteriza as propriedades ondulatórias ( -o comprimento de onda da onda associada ao corpúsculo) combinado com outro que exemplifica as propriedades corpusculares (mv -que é respectivamente a massa e a velocidade do corpúsculo, ou seja, o momento da partícula). 2.6 Algumas radiações e suas características Radiação alfa São partículas emitidas pelos núcleos de hélio. Possuem: dois prótons e dois nêutrons (e por isso são consideradas pesadas), velocidade de emissão em torno de Km/s ( 5% da velocidade da luz) e duas cargas positivas. Apesar de possuírem baixo poder de penetração, alguns centímetros no ar, possuem alto poder de ionização. Com relação à vida humana, no geral a radiação alfa é inofensiva, podendo ser perigosa se aspirada ou absorvida por ferimentos.

15 Radiação beta É como se chama o elétron positivo ou negativo emitido pelo núcleo de um átomo instável. Neste processo de emissão o núcleo diminui um nêutron e aumenta em um próton. A radiação beta é uma partícula leve que: possui apenas uma carga negativa, perde energia para o meio rapidamente (o que a faz ter um alcance de até alguns metros no ar), tem baixo poder de ionização e alta velocidade (em torno de Km/s) Radiação gama É um tipo de radiação eletromagnética proveniente de reações nucleares. A emissão de ondas eletromagnéticas ajuda a estabilizar o núcleo, diminuindo sua energia, o resultado é uma radiação que não possui carga, perde energia para o meio lentamente (o que resulta em um alto poder de penetração: centímetros de concreto), tem baixo poder de ionização e velocidade de Km/s. A radiação gama é altamente nociva à vida humana Radiação X É a radiação eletromagnética (fótons) produzida pela desaceleração de partículas carregadas (principalmente elétrons) ou em transições eletrônicas do átomo que sofreu excitação ou ionização após uma interação. A radiação X possui as mesmas características da gama, sendo que a mesmas diferem apenas no processo de formação Radiação de nêutrons É mais um tipo de radiação proveniente de reações nucleares. Não possui carga e não produz ionização diretamente. Nêutrons transferem energia para outras partículas e estas

16 16 produzem ionização, é por esse motivo que a produção de ionização para esta radiação é variável Radiação de fundo ou natural É a radiação proveniente de elementos naturais radioativos existentes na crosta terrestre em junção com a radiação solar e a radiação cósmica, que é formada por partículas carregadas e íons de alta energia.

17 17 CAPÍTULO III ACELERADORES DE PARTÍCULAS 3.1 Definição de aceleradores Os aceleradores de partículas são máquinas constituídas de fontes de partículas carregadas que se utilizam de campos elétricos e magnéticos para acelerar e controlar a direção de tais partículas conferindo a elas altas energias. São classificados quanto a disposição dos campos eletromagnéticos em cíclicos e lineares. Exemplos de aceleradores existem nas televisões, nos geradores de raios X, na produção de isótopos radioativos, na radioterapia, na radiografia de uso industrial e na polimerização de plásticos. 3.2 Tubos de raios catódicos Figura 2-Esquema do tubo de raios catódicos. Tubos de raios catódicos são aceleradores de partículas comuns em televisões e computadores. Nestes aceleradores, elétrons ganham energia no cátodo (que é um filamento aquecido colocado em um vácuo dentro de um tubo de vidro) e são atraídos pelo ânodo, o resultado é a formação de um raio pelo fluxo de elétrons, que na televisão, por exemplo,

18 18 atingirá uma tela plana revestida de fósforo que brilhará. Este brilho terá sua cor definida conforme o ponto da tela. 3.3 Aceleradores lineares Os aceleradores lineares aceleram partículas ao longo de trajetórias retilíneas. São máquinas que obedecem ao princípio de ressonância e operam com a utilização de um tubo no qual os campos elétricos estão a cada instante contribuindo para o aumento da energia das partículas. 3.4 Aceleradores cíclicos Os aceleradores cíclicos desempenham basicamente as mesmas funções dos lineares, com a diferença de que impulsionam as partículas a passarem várias vezes ao longo de trajetórias circulares pela ação de campos magnéticos em espiral ou circular. Existem vários tipos de aceleradores cíclicos entre eles o cíclotron, o síncrono e o microton. 3.5 Cíclotron Figura 3: Esquema do acelerador ciclotron.

19 19 É um aparelho que também utiliza o princípio de ressonância e que acelera partículas a altas energias. No cíclotron o movimento circular dos íons ocorre dentro de duas câmaras metálicas em forma de semi-círculos (também chamadas de Ds) alimentadas por uma fonte de voltagem alternada. No interior dessas câmaras é aplicado um campo magnético uniforme, intenso e perpendicular à superfície. A aceleração é feita alternando-se o potencial entre as câmaras. Deve-se tomar o cuidado de controlar a freqüência da fonte de voltagem alternada para que os íons sejam acelerados continuamente. A energia cinética máxima de uma dada partícula carregada pode ser estimada em termos do raio das câmaras pela seguinte equação: q B R K máx (13) 2m onde: q= a carga da partícula; B= campo magnético entre as câmaras; R= o raio das câmaras; m= a massa da partícula. Segundo Serway (1996, p.168) quando a energia dos íons exceder a cerca de 20 MeV, os efeitos relativísticos começam a ser importantes, e as massas dos íons não são constantes. Assim para acelerar íons a energias relativísticas utilizam-se os aceleradores síncronos. 3.6 Síncronos Os aceleradores síncronos aceleram partículas a energias muito altas. Possuem funcionamento parecido com o dos cíclotrons, porém utilizam um princípio conhecido como estabilidade de fase, mantendo sincronismo entre o campo magnético aplicado e a freqüência da revolução da partícula.

20 20 Os aceleradores síncronos que possuem campo magnético constante e a freqüência variável são chamados sincrocíclotrons. Quando o contrário acontece, a freqüência se mantém constante e o campo magnético variável, são chamados de síncrotrons. 3.7 Microton Figura 4: Ilustração do que ocorre no microton. Nesse tipo de acelerador os elétrons são acelerados em uma cavidade ressonante posicionada no interior de uma câmara, onde existe um campo magnético uniforme, que faz com que as trajetórias sejam circulares e os elétrons retornem a cavidade ressonante, onde são novamente acelerados. Para que os elétrons estejam em sincronismo com a RF, deve ser satisfeita a condição de ressonância, dada por: 2 E c q n B onde: E ganho de energia pela passagem na cavidade; c velocidade da luz no vácuo; q carga da partícula (elétron); 0 comprimento de onda no espaço livre; B densidade de fluxo magnético.(figueredo, 2002, p.6)

21 21 CAPÍTULO IV RADIOTERAPIA COM FEIXE DE ELÉTRONS E MÁQUINAS DE TELETERAPIA 4.1 O que é a radioterapia? A Radioterapia ou Radioncologia é uma especialidade médica que emprega as irradiações no tratamento de diversas doenças. [1] A radiação utilizada na radioterapia é chamada radiação ionizante. Essa radiação ioniza os átomos e moléculas retirando os elétrons que se movem em torno do núcleo, esses átomos buscando estabilidade se juntam a outras moléculas que também perderam elétrons, isso causa uma desorganização no metabolismo celular. As células danificadas, de um câncer, por exemplo, crescem e se multiplicam muito mais rapidamente que as células normais. A ação fundamental da irradiação é a de bloquear a divisão celular por lesão do DNA ou por destruição direta das células, principalmente na fase de multiplicação celular. Existem várias modalidades de radioterapia, mas as principais são a braquiterapia e a teleterapia. A braquiterapia é um tipo de radioterapia na qual as fontes de radiação estão muito próximas do volume - alvo [2], ou seja, a radiação está em contato direto com a superfície a ser irradiada. Já a teleterapia é uma modalidade de radioterapia em que a fonte de radiação é externa ao paciente. A teleterapia envolve a utilização de feixes de radiação ionizantes, tais como elétrons, prótons, nêutrons, íons pesados ou raios-x.(soares, 2006, p.1) Entre os equipamentos utilizados na teleterapia estão os aceleradores lineares. 4.2 Motivos para a utilização de feixe de elétrons em radioterapia O feixe de elétrons possui a característica de perder energia para o meio imediatamente após sua emissão, o que não acontece com o feixe de fótons que perde energia primeiramente para o elétron para depois transferir energia para o meio.

22 22 A transferência de energia do elétron para o meio ocorre de maneira fracionada, de forma que sua energia total será dissipada após muitas colisões. Os processos de interação dos elétrons com o meio são do tipo: colisão inelástica para elétrons orbitais, o que para elétrons de baixa energia resulta na perda de energia cinética causando ionização e excitação; interação inelástica com núcleos atômicos resultando numa emissão de raios X e ainda, espalhamento elástico com elétrons orbitais e o núcleo, o que causa mudança na trajetória do elétron. Para ser utilizado em tratamentos clínicos, o feixe de elétrons passa pelo processo de colimação, que tem a finalidade de limitar o tamanho do campo de ação do feixe e também pelo processo de achatamento influenciado pelas folhas espalhadoras, que como o próprio nome diz, espalham o feixe de elétrons a um tamanho clinicamente usual. No que diz respeito à imensa utilização de elétrons na radioterapia nos dias de hoje, pode-se dizer que é possível devido aos grandes avanços tecnológicos na computação bem como nos aceleradores. 4.3 Energia do feixe de elétrons Antes de passar pela janela do acelerador, o feixe de elétrons é essencialment e monoenergético e sua energia é igual à energia acelerada. Porém, quando essa energia atravessa diversos materiais, folhas espalhadoras, monitores, espelhos, etc., ela é degradada e começa a formar um espectro de energia na superfície de interação, tornando-se mais abrangente em profundidade. A energia E 0 do feixe de elétrons na superfície é dada por: E 0 = C 1 + C 2 R p + C 3 (R p ) 2 onde, para a água: C 1 = 0,22MeV C 2 = 1,98MeVcm -1 C 3 = 0,0025MeVcm -2 R p = alcance prático em cm que pode ser determinado graficamente. (SCAFF, 1997, p.223)

23 23 Para fins clínicos, a energia de interesse do feixe é a mais provável na superfície do paciente. Para determinação do alcance prático utiliza-se a curva de dose profunda medida para o feixe. 4.4 Raios X de quilovoltagem Os raios X de quilovoltagem são aqueles produzidos nos tubos tradicionais toda vez que uma substância é bombardeada com elétrons de grande velocidade. Por sua vez tubos considerados tradicionais são os que consistem de um cátodo e um ânodo, inseridos numa ampola de vidro na qual é feito vácuo. O cátodo é formado por um filamento helicoidal de tungstênio (W) que tem ponto de fusão acima de 3300 C. Ao aquecer o filamento, elétrons são liberados termoionicamente e acelerados em direção ao ânodo por meio de uma diferença de potencial entre o filamento (negativa) e o ânodo (positiva), constituindo uma corrente eletrônica. Estes elétrons acelerados, ao colidirem com o ânodo (alvo), têm parte de sua energia convertida em raios X. Estes raios X são emitidos do alvo em todas as direções. Em função disso a ampola é envolvida com uma carapaça metálica blindando esta radiação, de forma que apenas uma parte dela, chamada feixe útil, será utilizada nos tratamentos radioterápicos. Este feixe é obtido através do colimador primário. Para que os elétrons percam o mínimo possível de energia durante seu caminho do filamento ao alvo, no tubo é feito vácuo tanto quanto possível. A energia destes elétrons é fornecida pelo produto de sua carga pela voltagem aplicada. No tubo, a corrente de elétrons é da ordem de miliámpere e a voltagem da ordem de quilovolt. Normalmente, devido às voltagens usadas em radioterapia com equipamentos convencionais, cerca de 1% da energia dos elétrons é convertida em raios X e 99% em calor.

24 Terapias com equipamentos de quilovoltagem Os equipamentos de quilovoltagem estão entre as máquinas utilizadas na radioterapia. As terapias com equipamento de quilovoltagem são classificadas de acordo com a energia do feixe de raios X em: terapia de contato, terapia superficial e terapia profunda ou ortovoltagem Terapia de contato Esse tipo de terapia opera com potenciais entre 30 e 50KVp (kilo volt pico), 2mA de corrente, distância foco-superficie de 2 cm e filtração entre 0,5 e 1mmAl. Podendo ter um alcance nos tecidos de até 2 cm Terapia superficial Opera com potenciais de 50 a 150KVp, correntes entre 10 e 20mA, distância focosuperficie variando de 20 a 40cm e filtração entre 1 e 6mmAl Terapia profunda ou ortovoltagem Nesta terapia o equipamento de raios X atua com potenciais entre 150 e 300KVp, correntes entre 10 e 20mA, distância foco-superfície de 30 a 50cm e filtração entre 1 e 4mmCu.

25 25 Figura 5 Raio X de quilovoltagem - Ortovoltagem (Stabilipan) 4.6 Equipamentos de telecobaltoterapia Outras máquinas utilizadas na teleterapia são os equipamentos de cobaltoterapia. Os equipamentos de cobaltoterapia são de fundamental importância nos tratamentos que envolvem a radiação externa, nos mesmos o radioisótopo Co 60 encontra-se confinado em um cilindro metálico de aproximadamente 2cm de diâmetro x 2cm de altura constituindo assim a fonte de cobalto 60 [3]. Raios gama são emitidos quando a cápsula que comporta a fonte radioativa, como o cobalto 60, contida no aparelho é aberta. Por conter material radioativo este tipo de equipamento requer cuidados especiais a fim de se evitar acidentes. Figura 6 - Foto do aparelho de telecobaltoterapia (Gammatron) do Serviço de Radioterapia do Hospital de Caridade de Florianópolis.

26 26 CAPÍTULO V ACELERADORES LINEARES 5.1 O que é este equipamento de megavoltagem? Os aceleradores lineares são equipamentos utilizados na teleterapia que merecem atenção especial. Aceleradores lineares são máquinas que aceleram partículas ao longo de trajetórias retilíneas. Sua vantagem em relação aos equipamentos de quilovoltagem é a obtenção de raios X com energias da ordem de megavolts. Se tomarmos duas placas metálicas em forma de disco, com um orifício no meio, paralelas e ligadas entre si por uma tensão constante, e abandonarmos um elétron no centro do orifício da placa negativa, ele, por força do campo elétrico criado, irá em direção da placa positiva. Se isto ocorrer no vácuo, o elétron, inicialmente parado, ganhará mais energia e conseguirá ultrapassar sem dificuldade a placa positiva. (SCAFF, 1997, p.238) Se ao invés de um, for colocado uma série de discos ligados aos pares e nos mesmos forem utilizadas fontes de tensão alternadas capazes de criar campos elétricos variáveis, o resultado será uma aceleração ainda maior do elétron. Figura 7 Esquema de discos paralelos. A utilização de um tubo no qual os campos elétricos estão a cada instante contribuindo para o aumento da energia do elétron é o princípio básico de funcionamento dos aceleradores

27 27 lineares, com a diferença de que nestes tipos de aceleradores são utilizadas ondas de radiofreqüência (RF) de 3000 MHz, que como todas as radiações eletromagnéticas são campos alternados, elétrico e magnético (SCAFF, 1997, p.239). Quando um agrupamento de elétrons é injetado em um feixe de ondas de radiofreqüência, ele fica sujeito à força aplicada pelo campo elétrico e tende a ser levado pelas ondas. Estas ondas de radio-freqüência por sua vez, que são provenientes de válvulas especiais chamadas magnetron ou klystron (a denominação dependerá da energia) são enviadas a um tubo cilíndrico que possui em seu interior discos metálicos com pequeno orifício no meio, este tubo é chamado de acelerador e é nele que os elétrons são acelerados até a energia desejada. As ondas de radio-freqüência em condições especiais podem viajar a uma velocidade muito menor que a velocidade da luz no vácuo. Isso pode ser corrigido, fazendo as mesmas ultrapassarem um tubo acelerador que aumentará progressivamente a velocidade destas ondas. De acordo com Scaff (1997, p.239) o comprimento de onda (λ) é da ordem de 10 cm e o comprimento da estrutura aceleradora é determinado pela energia máxima desejada dos elétrons. Dessa maneira as estruturas aceleradoras devem ser projetadas de modo a garantir a sincronização entre o campo e a velocidade dos elétrons. Após a passagem pelo tubo acelerador, os elétrons já acelerados formam um feixe paralelo da ordem de 3 mm de diâmetro que é dirigido a um alvo metálico com a finalidade de produzir raios X. Em alguns aceleradores, este alvo pode ser removido quando desejado e os elétrons colidem em lâmina metálica bem fina para ser espalhados e termos um feixe de elétrons para tratamentos radioterápicos. (SCAFF, 1997, p.240) Na maioria dos aceleradores lineares, o tubo acelerador é colocado horizontalment e devido ao seu grande tamanho, isso faz com que o feixe de elétrons sofra uma deflexão magnética antes de colidir com o alvo. Uma outra característica dos aceleradores é o fato de não manterem a taxa de dose constante, em função de oscilações de alguns de seus componentes. Para corrigir esta característica o acelerador é calibrado por meio de duas câmaras de ionização que garantem o mantimento da dose esperada. É comum a qualidade dos feixes de raios X de megavoltagem produzidos por aceleradores lineares ser especificada em termos do quociente da relação tecido-meio sendo

28 28 que para as profundidades de 20 cm e 10 cm, para uma distância fixa da fonte ao detetor e para um campo de 10 cm por 10 cm no plano do detetor. (SCAFF, 1997, p.240) Componentes de um acelerador linear Os aceleradores lineares possuem basicamente os seguintes componentes: Magnetron, Klystron ou circuito de radio-freqüência São fontes de microondas para a aceleração dos elétrons, que são utilizadas de acordo com a energia desejada. Fonte ou canhão de elétrons Área responsável pela geração dos elétrons que serão acelerados. Bomba iônica de vácuo Parte responsável por manter vácuo em toda a estrutura aceleradora. Alvo Utilizado para a produção de raios X. Circulador e carga de água Fazem a absorção da onda de rádio-freqüência que não é absorvida pelo tubo acelerador. Magneto Utilizado para defletir os elétrons que saem do tubo acelerador de modo que colidam com o alvo ou cheguem às lâminas espalhadoras de feixe de elétrons. Filtro achatador Cone metálico utilizado para modificar a isodose. Lâminas espalhadoras Espalham os elétrons para formarem os feixes de elétrons utilizados nos tratamentos radioterápicos. Câmaras de ionização Equipamentos utilizados para fornecerem medidas da quantidade de radiação fornecida pelo acelerador e também para controlar a simetria do feixe. Sistema óptico Produz um campo luminoso coincidente do o campo de radiação. Indicador óptico Mostra a distância foco-superfície. Colimadores Têm função de definir o campo a ser tratado, existem os formados por blocos de tungstênio que se movem com a ajuda de motores para determinar o campo de irradiação e os multifolhas, mais utilizados atualmente. Isocentro Ponto virtual no qual o eixo central do campo de rotação e o eixo de rotação dos colimadores se interceptam

29 29 Contrapeso Componente usado para equilibrar a distribuição de massa no acelerador. Campo de radiação Estrutura que aloja o feixe de elétrons ou de fótons. Braço (gantry) Elemento no qual é montado o acelerador e que pode girar 360. Guia de onda Tem a finalidade de carregar as microondas ao tubo acelerador. Desviação Direciona o feixe de elétrons através de 270 graus de curvatura para a área do colimador. Carrossel Sistema móvel que seleciona um filtro espalhador para cada energia de elétrons ou um equalizador para diferentes energias de fótons. Circuito de água Faz a circulação de água por todo o equipamento, mantendo a refrigeração do mesmo. Indicadores digitais Indicam angulação do braço, de rotação da coluna, etc. linear. Na figura abaixo estão representados os componentes principais de um acelerador Figura 8 - Esquema de um acelerador linear. 1. Fonte de elétrons. 2. Alvo. 3. Feixe de elétrons ou fótons. 4. Mesa de tratamento.

30 30 Figura 9 - Graus de liberdade de aceleradores lineares e simuladores. 1. Rotação do braço. 2. Distância foco-eixo. 3. Rotação do colimador. 4 e 5. Movimentos lateral e longitudinal do intensificador de imagem (somente simulador). 6, 7 e 8. Movimentos vertical, longitudinal e lateral da mesa. 9. Rotação da mesa no pedestal. 10. Rotação da mesa no isocentro. Figura 10 - Foto do Acelerador Linear do Serviço de Radioproteção do Hospital de Caridade de Florianópolis.

31 31 CONCLUSÃO As células do nosso corpo estão constantemente se reproduzindo, por um processo chamado mitose, de maneira controlada ao longo de nossas vidas. Porém em algumas ocasiões pode ocorrer que essas células se multipliquem mais rapidamente resultando na formação de massas celulares denominadas neoplasias ou tumores. O processo neoplástico de alterações no DNA da célula e multiplicação da mesma é o que resulta no câncer. Atualmente dentre os vários recursos existentes para o tratamento do câncer podemos destacar a radioterapia em uma das suas modalidades: a teleterapia. Nessa modalidade equipamentos de quilovoltagem, megavoltagem (aceleradores lineares) e cobaltoterapia são utilizados. Nos aceleradores lineares uma fonte geradora de elétrons envia os mesmos em um tubo acelerador onde serão acelerados, saindo do tubo acelerador esses elétrons colidirão com um alvo metálico onde parte da sua energia será convertida em raios X e o restante continuará num processo que resultará em feixes de elétrons utilizáveis na radioterapia. Esses feixes de elétrons produzidos pelos aceleradores lineares são de várias energias o que permite a utilização de um único equipamento em múltiplos tratamentos, sem falar nos raios X emitidos. Essa versatilidade dos aceleradores lineares constitui uma grande vantagem na utilização dos mesmos em radioterapia uma vez que em razão dela tanto lesões superficiais como profundas podem ser tratadas. Outra vantagem da utilização dos aceleradores lineares é que eles oferecem uma maior segurança uma vez que são equipamentos eletrônicos que quando desligados não produzem qualquer tipo de radiação. O que já não acontece com equipamentos de telecobaltoterapia, por exemplo, que possuem uma fonte radioativa em seu interior. Com relação aos equipamentos de quilovoltagem os aceleradores recebem preferência pelo fato de produzirem feixes de energias da ordem de mega-elétrons-volts.

32 32 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] CENTRO DE ONCOLOGIA CASCAVEL CEONC. Radioterapia. Disponível em: < Acesso em: 8 out [2]SOCIEDADE BRASILEIRA DE RADIOTERAPIA SBRT. Radioterapia. Disponível em: < Acesso em: 9 out [3]INSTITUTO NACIONAL DO CÂNCER INCA. Programa de qualidade em radioterapia: Curso de atualização para técnicos em radioterapia. Disponível em: < Acesso em: 9 out EISBERG, Robert. RESNICK, Robert. Física quântica: átomos, moléculas, sólidos, núcleos e partículas. Tradutores: Paulo Costa Ribeiro. Enio Frota da Silveira. Marta Feijó Barroso. Rio de Janeiro: Campus, FIGUEREDO, Militão V. Projeto, construção e teste de uma rede de microondas para alta potência. Tese (Doutorado em Ciências) Instituto de Física da Universidade de São Paulo USP, São Paulo, Disponível em: < Acesso em: 4 out NUSSENZVEIG, H. Moysés. Curso de física básica: ótica relatividade e física quântica. 1. ed. São Paulo: Edgard Blücher Ltda, 1998, 4 v. OKUNO, Emiko; CALDAS, Iberê L.; CHOW, Cecil. Física para ciências biológicas e biomédicas. São Paulo: HARBRA, SCAFF, Luiz A. M. Física da radioterapia. São Paulo: Sarvier, SERWAY, Raymond A. Física 3: eletricidade, magnetismo e ótica. Tradutor: Horacio Macedo. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC, SOARES, Alessandro F. S. N. Doses ocupacionais devido a nêutrons em salas de aceleradores lineares de uso médico. Tese (Doutorado em ciências) Coordenação dos Programas de Pós-graduação em engenharia da Universidade do Rio de Janeiro COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Disponível em: < Acesso em: 15 out