FÍSICA APLICADA À RADIOLOGIA

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1 FÍSICA APLICADA À RADIOLOGIA

2 Sumário Histórico...01 Descoberta dos Raios-X...03 Tubo de Raios-X...04 Esquema do Tubo de Raios-X...08 A natureza da radiação Ionizante...09 Estrutura da matéria...10 Formação da radiação X...12 Radiação de Freamento (Bremsstrahlung)...14 Radiação característica...16 Efeito fotoelétrico...19 Efeito Compton...19 Formação da Imagem Radiológica...21 Distorção...22 Efeito Anódico...24 Divergência do Feixe de R-X...24 Referências Bibliográficas e Agradecimentos...26

3 Histórico Wilhelm Conrad Röntgen (em Inglês: "William Conrad Roentgen") (27 de março de de fevereiro de 1923) foi um físico alemão, da Universidade de Würzburg, que, em 8 de novembro de 1895, produziu e detectou a radiação eletromagnética, conhecida hoje como raios-x ou raios Röntgen. Röntgen nome é normalmente dado como "Roentgen" (uma forma alternativa em alemão) em Inglês, portanto, mais referências científicas e médicas que lhe são encontrados sob esta ortografia. 1

4 Fig. 2 primeiros exames, obs.: gratuitos 2

5 Fig.03 - Primeira radiografia de Roentgen Fig Laboratório de pesquisas de Roentgen Descoberta de Raios-X Em 1895, o físico Wilhelm Conrad Roentgen, estudando descargas elétricas em gases rarefeitos e ampolas de Crookes, por acaso descobriu os raios X. Ele tinha uma ampola de Crookes encerrada em uma caixa de papelão, e alimentada por uma bobina de Rumkhorff. Com o conjunto em um quarto escuro, ele observou que, quando o tubo funcionava, se produzia fluorescência num cartão pintado com platino-cianureto de bário. A fluorescência era observada quer estivesse voltada para o tubo a face do cartão pintada com platino cianureto de bário, quer a face oposta, e até com este cartão afastado a dois metros do tubo. 3

6 A fluorescência não era causada pelos raios catódicos, pois estes não atravessam o vidro do tubo. Roentgen observou a seguir que o agente causador da fluorescência se originava na parede do tubo de Crookes, no ponto onde os raios catódicos encontravam essa parede. Não sabendo do que se tratava, Roentgen chamou raios-x. Tubos de raios X Raios X são produzidos todas as vezes que elétrons encontram um obstáculo. Na experiência de Roentgen, eles eram produzidos quando os elétrons encontravam a parede do tubo. Há dois tipos de tubos de raios X em uso. 1º - Tubos a gás 4

7 Possuem gás à pressão de mais ou menos 0, 001 mm Hg. O tubo é esférico, e além do cátodo C e do ânodo A, possui um terceiro eletrodo B, chamado alvo, colocado no centro da esfera. O alvo B está ligado ao anodo A, de maneira que ficam ao mesmo potencial. Este alvo combinado com o ânodo produz um campo elétrico que encurva a trajetória dos elétrons e faz que a maioria dos elétrons encontre o alvo perpendicularmente. A diferença de potencial entre o catodo e o anodo nestes tubos é de a volts. Os elétrons saem do catodo, choca-se com o alvo, e nesse choque se produz raios X. A próxima figura é a fotografia de um desses tubos; o diâmetro da esfera é de um palmo, aproximadamente. 5

8 2º - Tubo Coolidge Neste tubo é feito o melhor vácuo possível. O cátodo é aquecido por uma corrente elétrica fornecida por um gerador P. Assim aquecido ele emite muito maior quantidade de elétrons, (efeito Edison). Não possui o alvo B, pois o próprio ânodo atua como alvo e emite os raios X. A diferença de potencial entre o catodo e o anodo, fornecida pelo gerador G, nestes tubos pode ser desde até de volts Produção dos raios X A produção dos raios X é explicada do seguinte modo: os elétrons emitidos pelo cátodo são fortemente atraídos pelo ânodo, e chegam a este com grande energia cinética. Chocando-se com o anodo, eles perdem a energia cinética, e cedem energia aos elétrons que estão nos 6

9 átomos do ânodo. Estes elétrons são então acelerados. E acelerados, emitem ondas eletromagnéticas que são os raios X, que são ondas eletromagnéticas de comprimento de onda muito pequeno. Aplicações dos raios X Todos conhecem as aplicações dos raios X na medicina, em radiografias e curas de certas moléstias. Mas eles têm muitas aplicações na técnica e na pesquisa em Física. Eles muito contribuíram para o conhecimento da estrutura da matéria. Por meio de raios X se conseguiu provar a estrutura reticular dos cristais. Em Mineralogia, a aplicação dos raios X é tão intensa que foi criada dentro dela, uma especialização chamada Ótica Cristalográfica, que trata das propriedades dos cristais reveladas por raios X. Componentes do equipamento de Raios-X Os aparelhos de raios X são constituídos de três componentes fundamentais: o tubo de Raios X, o gerador de alta voltagem e o painel de controle. Fig. 05 tubo de R.X 7

10 Esquema de um tubo de raios X É um tubo de vidro denominado ampola no qual se faz vácuo e que contém no seu interior o cátodo e o ânodo. Sua função também é de promover isolamento térmico elétrico entre as partes. Possui uma janela com espessura menor do que o resto da ampola (janela de Berílio) e pela qual passa o feixe útil com o mínimo de absorção possível. O tubo é colocado dentro de uma calota protetora revestida de chumbo, chamado de cabeçote a fim dereduzir a radiação espalhada. O cabeçote contém a ampola e demais acessórios. É geralmente de alumínio ou cobre cuja função é de blindar radiação de fuga. Possui uma janela radio transparente por onde passa o feixe. O espaço é preenchido com óleo que atua como isolante elétrico térmico. - (negativo) + (positivo) 06 Aspecto interno da Ampola de Raios-X Fig. 8

11 A Natureza da Radiação Ionizante Com a descoberta dos Raios X pelo físico W. C. Roentgen em 1895, imediatamente inciaramse os estudos sobre as emissões de partículas, provenientes de corpos radioativos, observando suas propriedades e interpretando os resultados. Nesta época, destacaram-se dois cientistas, Pierre e Marie Curie, pela descoberta do polônio e o radium e ainda deve-se a eles a denominação Radioatividade (propriedade de emissão de radiações por diversas substâncias). No começo do século XX, 1903, Rutherford, após profundos estudos formulou hipóteses sobre as emissões radioativas, pois convém frisar, que naquela época ainda não se conhecia o átomo e os núcleos atômicos e coube a este cientista a formulação do primeiro modelo atômico criado e que até hoje permanecem suas características. O nome Radiação Ionizante se originou da propriedade de que certa forma de energia radiante possui de atravessar materiais opacos à luz visível possuírem um comprimento de onda extremamente curto, o que lhes dá a capacidade de atravessarem materiais que absorvem ou refletem a luz visível. Por serem de natureza semelhante à luz, os Raios X possuem uma série de propriedades em comum com a luz entre as quais podemos citar: possuem mesma velocidade de propagação ( km/s), deslocam-se em linha reta, não são afetadas por campos elétricos ou magnéticos, possuem a propriedade de impressionar emulsões fotográficas. Poderíamos citar outras propriedades comuns entre as radiações ionizantes e a luz visível. Ocorre, no entanto, que vários fenômenos que observamos na luz, são muitos difíceis de serem detectados. O fenômeno de refração, por exemplo, ocorre nas radiações, mas numa escala tão pequena que são necessários instrumentos muito sensíveis para detectá-lo. Isso explica porque a radiação penetrante não pode ser focalizada através de lentes, como acontece com a luz. Características 9

12 As mais relevantes propriedades da radiação ionizante são: Deslocam-se em linha reta. Podem atravessar materiais opacos à luz, ao fazê-lo, são parcialmente absorvidos por esses materiais. Podem impressionar películas fotográficas, formando imagens. Provocam o fenômeno da fluorescência. Provocam efeitos genéticos. Provocam ionizações nos gases. No vácuo, viajam na velocidade da Luz. É polienergetico. Obedecem à lei do inverso do quadrado da distância (1/r2). Não são alterados por campo elétrico ou magnético. A radiografia é uma fotografia tirada com raios X, em vez de ser tirada com luz. Os raios X podem exercer, sobre os tecidos, ações benéficas ou maléficas, conforme a dose com que são absorvidos. Assim como curam, também podem produzir doenças, como por exemplo, a doença de pele chamada radiodermite, muito perigosa porque pode se transformar em câncer. Está provado que existe uma dose de raios X máxima que cada pessoa pode receber. Qualquer pessoa pode ser submetida a doses compreendidas nesse limite máximo. Estrutura da Matéria Em 1906, Ernest Rutherford realizou experiências com bombardeio de partículas alfa em finas folhas de ouro (as partículas alfa são emitidas por certos radioisótopos, ocorrendo naturalmente). Ele achava que a maioria das partículas passava direto através da fina folha do metal em sua direção original. Contudo, algumas partículas foram desviadas. 10

13 Isto levou ao desenvolvimento do modelo atômico que é aceito até hoje. O núcleo contém carga positiva do átomo e ao redor do núcleo, giram um número de elétrons. Os elétrons ocupam níveis ou camadas de energia e os espaçamentos desses níveis causam o grande tamanho do átomo em comparação com o núcleo. Os cientistas conheciam agora que o átomo consistia de um núcleo contendo um número de prótons e uma nuvem eletrônica com igual número de elétrons. Contudo eles achavam confuso, pelo fato do átomo de hélio (número atômico 2) pesar quatro vezes mais que o átomo de hidrogênio. Irregularidades no peso persistiam através da tabela periódica. Predisseram algumas teorias para o acontecido, mas a confusão terminou em 1932 quando James Chadwick, físico inglês descobriu uma partícula chamada de nêutron. 11

14 Essa partícula tinha uma massa igual ao do próton, mas não tinha carga. Para descrever essa nova propriedade, cientistas alegaram o número de massa, número de partículas (prótons e nêutrons no núcleo). Descrevendo o átomo, o número de massa seria escrito com um número superior no símbolo químico. Formação da radiação X O tubo de raios X possui dois elementos principais e que serão a partir de agora objeto de estudo: cátodo e ânodo. principais: o filamento e o corpo focalizador. A função básica do cátodo é emitir elétrons e focalizá-los em forma de um feixe bem definido apontado para o ânodo. Em geral, o cátodo consiste de um pequeno fio em espiral (ou filamento) dentro de uma cavidade (copo de focagem) como mostrada na figura anterior. O cátodo é o eletrodo negativo do tubo. É constituído de duas partes 12

15 O filamento é normalmente feito de Tungstênio (com pequeno acréscimo de Tório) Toriado, pois esta liga tem alto ponto de fusão e não vaporiza facilmente (a vaporização do filamento provoca o enegrecimento do interior do tubo e a conseqüente mudança nas características elétricas do mesmo). A queima do filamento é, talvez, a mais provável causa da falha de um tubo. O corpo de focagem serve para focalizar os elétrons que saem do cátodo e fazer com que eles colidam no ânodo e não em outras partes. A corrente do tubo é controlada pelo grau de aquecimento do filamento (cátodo). Quanto mais aquecido for o filamento, mais elétrons serão emitidos pelo mesmo, e maior será a corrente que fluirá entre ânodo e cátodo. Assim, a corrente de filamento controla a corrente entre ânodo e o cátodo. O ânodo é o pólo positivo do tubo, serve de suporte para o alvo e atua como elemento condutor de calor. O ânodo deve ser de um material (tungstênio) de boa condutividade térmica, alto ponto de fusão (3.400 C) e alto número atômico, de forma a minimizar a relação de perda de energia dos elétrons por radiação (raios X) e a perda de energia por aquecimento. Existem dois tipos de ânodo: fixo e giratório. Os tubos de ânodo fixo são usualmente utilizados em máquinas de baixa corrente, tais como: raios-x odontológico, raios- X portátil, máquinas de radioterapia, etc. Os tubos de ânodo giratório são usados em máquinas de alta corrente, normalmente utilizadas em radiodiagnóstico. Ele permite altas correntes, pois a área de impacto dos elétrons fica aumentada. Como exemplo, tomemos um alvo fixo, cuja área de impacto é de 1 mm x 4 mm, isto é, 4 mm 2. Se este alvo girar com um raio de giro igual 30 mm, a área de 13

16 impacto seria aproximadamente: 754 mm 2 ; nestas condições, o tubo giratório teria cerca de 200 vezes mais área do que o tubo fixo. O ânodo e o cátodo ficam acondicionados no interior de um invólucro fechado (tubo ou ampola), que está acondicionado no interior do cabeçote do RX. A ampola é geralmente constituída de vidro de alta resistência e mantida em vácuo, e tem função de promover isolamento térmico e elétrico entre ânodo e cátodo. Radiação de Freamento (Bremsstrahlung) Essa radiação é produzida quando um elétron passa próximo ao núcleo de um átomo de tungstênio, sendo atraído pelo núcleo deste e desviado de sua trajetória original. Com isto, o elétron perde uma parte de sua energia cinética original, emitindo parte dela como fótons de radiação, de alta e baixa energia, comprimento de onda diferente dependendo do nível de profundidade atingido pelo elétron do metal alvo. Isto significa dizer que, enquanto penetra no material, cada elétron sofre uma perda energética que irá gerar radiação (fótons) com energia e comprimento de onda também menor. Se formos considerar percentualmente a radiação produzida, veremos que 99% dela são emitida como calor e somente 1% possui energia com características de radiação X. Radiação Bremsstrahlung 14

17 Existem situações (raras) em que alguns elétrons muito energéticos se chocam diretamente com os núcleos, convertendo toda a sua energia cinética em um fóton de alta energia e freqüência (a rigor, esta seria outra forma de geração de radiação, onde a energia do fóton gerado é igual à energia do elétron incidente, o que se configura como um fóton de máxima energia). Durante o bombardeamento do alvo, todas as possibilidades em termos de geração de fótons acontecem, na medida em que temos interações diferentes entre elétrons incidentes com o material do alvo, gerando fótons de diferentes energias. A radiação de Freamento, ou Bremsstrahlung, se caracteriza por ter uma distribuição de energia relativa aos fótons gerados bastante amplos, como mostra a figura a seguir. Como se pode observar pelo gráfico ao lado, a maioria dos fótons obtidos possui baixa energia, sendo que somente uns poucos têm a energia equivalente à diferença de potencial (voltagem) aplicada ao tubo. Esse gráfico mostra que, são gerados muitos fótons de baixa energia, o que pode ser perigoso 15

18 para o paciente irradiado, pois estes fótons de baixa energia interagem com os tecidos vivos, sem contribuir para a formação da imagem radiográfica. O espectro, distribuição das energias dos fótons gerados por uma radiação de Freamento, é mostrado na figura a seguir, onde se pode observar que a radiação não é monoenergética, mas sim polienergética, pois temos fótons de diferentes energias, em quantidades diferentes. Radiação característica Pelo visto anteriormente, alguns fótons interagem diretamente com os núcleos, convertendo toda sua energia em radiação, sem modificar o átomo alvo, ou seja, sem ionizá-lo. Existem situações, no entanto, em que elétron pode interagir com um átomo quebrando sua neutralidade (ionizando-o), ao retirar dele elétrons pertencentes à sua camada mais interna (K). Ao retirar o elétron da camada K, começa o processo de preenchimento dessa lacuna (busca de equilíbrio), por elétrons de camada superiores. Dependendo de camada que vem o elétron que ocupa a lacuna da camada K, teremos níveis de radiação diferenciados. Como exemplo, vamos considerar que um elétron da camada L ocupe a lacuna da camada K, emitindo uma radiação da ordem de 59 kev; se o elétron ocupante vem da 16

19 camada M, a energia gerada é da ordem de 67 kev; se o elétron ocupante vem da camada N, teremos uma radiação da ordem de 69 kev. Quando se usa como alvo um material com o tungstênio, o bombardeamento por elétrons de alta energia gera uma radiação com características específicas (radiação característica), pois esse material possui um número atômico definido (bastante alto), necessitando um nível alto de energia para retirar os elétrons de sua camada K. A energia da radiação gerada por um alvo de tungstênio é da ordem de 70 kev. A condição necessária e imprescindível para que se produza a radiação característica do tungstênio é que os fótons devem ter uma energia máxima superior a 70 kev, já que a energia de ligação da camada K é da ordem de 70 kev. Como se da o processo de geração da radiação característica do tungstênio? Exemplo: Quando bombardeamos um alvo de tungstênio com elétrons submetidos a uma tensão de 100 kv, serão gerados fótons com energia de poucos kev até 100 kev, mas uma grande parte deles terá energia da ordem de 70 kev, característica do tungstênio. Cada material emite um nível definido de radiação característica, dependendo de seu número atômico, como são os casos do tungstênio (radiologia convencional) e molibdênio (mamografia), que possuem radiações características da ordem de 70 kev e 20 kev, respectivamente. Essa figura é o resultado da superposição da radiação característica do tungstênio com o espectro contínuo gerado com 100 kvp. Nela se pode observar que, além de fótons, com energias baixas e altas, temos um grande número deles com energias correspondentes somente ao tungstênio. Quando o alvo bombardeado é de molibdênio, a radiação característica se situa na faixa de 20 kev. 17

20 Interação dos raios-x com a matéria Na faixa de energias que inclui os raios X e gama, há várias interações possíveis com o átomo ou com elétrons atômicos ou ainda com o núcleo, mas há também a possibilidade de não-interação, ou seja, a interação da radiação eletromagnética pode atravessar distâncias consideráveis em um meio material sem modificá-lo e sem se modificar. As probabilidades de interação (e de não-interação) dependem de características do meio e da radiação. A radiação eletromagnética ionizante é tratada, em boa parte dos casos, como um conjunto de partículas os fótons. A cada energia de fóton hv corresponde um momento associado hv / c, e, dessa forma, podem ocorrer colisões em que o fóton transfere energia e momento para outras partículas. As principais interações que ocorrem na matéria com fótons de energias na faixa de poucos kev até dezenas de MeV são: espalhamento coerente (ou efeito Rayleigh): corresponde à absorção e re-emissão da radiação pelo átomo, em uma direção diferente da de incidência. Somente neste efeito a radiação é tratada como onda; em todos os outros se considera a radiação eletromagnética como constituída de fótons; efeito fotoelétrico: o fóton é absorvido pelo átomo e um elétron atômico é liberado para se mover no material. A energia cinética adquirida por esse elétron é a diferença entre a energia do fóton e a energia de ligação do elétron ao átomo; efeito Compton (ou espalhamento inelástico): trata-se do espalhamento de um fóton por um elétron livre do material. Há transferência de parte da energia e do momento do fóton para o elétron, e um fóton com a energia restante é espalhado em outra direção; 18

21 Na obtenção da imagem por raios-x dois tipos de interação entre a radiação e a matéria são importantes: o efeito fotoelétrico e o efeito Compton. Aqui, diferente da produção de raios-x, é o fóton que vai interagir com o átomo do organismo que se quer estudar (ou melhor, produzir uma imagem). O efeito fotoelétrico Ocorre quando um fóton de raios-x choca-se com um elétron de um átomo e desloca-o de sua camada orbitária no átomo. Com a perda do elétron, o átomo fica ionizado. Nesta situação toda a energia do fóton de raios-x é utilizada para deslocar o elétron. Este efeito é muito acentuado nos materiais muito densos como, por exemplo, no chumbo e depende do número atômico do elemento (é proporcional ao cubo desse número). O efeito Compton Neste caso o fóton aproxima-se do átomo, choca-se com um elétron orbitário pode ou não arrancá-lo da camada orbitária, dependendo da energia envolvida, mas o que é 19

22 fundamental: não cede toda a sua energia e neste caso o fóton dos raios-x é desviado de sua trajetória. Nesta nova trajetória ele pode interagir com outros átomos e sofrer de novo desvio de sua trajetória. No final, a trajetória deste fóton não é retilínea. Como a obtenção das imagens de raios-x depende da diferença de densidade entre as diversas estruturas, e do arranjo linear entre a fonte e o local de detecção (como a sombra de uma lâmpada), uma trajetória não retilínea resulta em um prejuízo na interpretação das diferenças de densidade e borramento do contorno (imagine que mais que uma lâmpada ilumine um objeto, de forma a produzir mais que um limite da sua sombra). 20

23 Formação da Imagem Radiológica Detalhe na Imagem O detalhe pode ser definido como a nitidez de estruturas na radiografia. Essa nitidez dos detalhes da imagem é demonstrada pela clareza de linhas estruturais finas e pelas bordas de tecidos ou estruturas visíveis na imagem radiográfica. A ausência de detalhes é conhecida como borramento ou ausência de nitidez. A radiografia ideal apresentará boa nitidez da imagem. O maior impedimento para a nitidez da imagem relacionado ao posicionamento é o movimento. Outros fatores que influenciam no detalhe são tamanho do ponto focal, DFoFi (Distância foco-filme) filme) e DOF (Distância objeto-filme). O uso de menor ponto focal resulta em menor borramento geométrico, ou seja, em uma imagem mais nítida ou melhores detalhes. Portanto, o pequeno ponto focal selecionado no painel de controle deve ser usado sempre que possível. O uso do pequeno ponto focal, a menor DOF possível e uma DFoFi maior, também melhoram os detalhes registrados ou a definição na radiografia conforme descrito e ilustrado acima. 21

24 Sumário para controle de detalhes: Pequeno ponto focal usar pequeno ponto focal, sempre que possível, para melhorar os detalhes. Menor tempo de exposição usar menor tempo de exposição possível para controle voluntário e movimento involuntário. Velocidade filme/écran Usar velocidade filme-écran mais rápida para controlar os movimentos voluntários e involuntários. DFoFi usar maior DFoFi para melhorar os detalhes. DOF usar menor DOF para melhorar os detalhes. Distorção O quarto fator de qualidade da imagem é a distorção, que pode ser definida como a representação errada do tamanho ou do formato do objeto projetado em meio de registro radiográfico. A ampliação algumas vezes é relacionada como um fator separado, mas, como é uma distorção do tamanho, pode ser incluída com a distorção do formato. Portanto, a 22

25 distorção, seja de formato ou de tamanho, é uma representação errada do objeto verdadeiro e, como tal, é indesejável. O correto alinhamento da parte anatômica que esta sendo radiografada é fator importante para a redução da distorção e conseqüentemente para a melhoria da imagem obtida. Entretanto, nenhuma radiografia é uma imagem exata da parte do corpo que esta sendo radiografada. Isso é impossível porque há sempre alguma ampliação e/ou distorção devido a DFoFi e à divergência do feixe de raios X. Portanto, a distorção deve ser minimizada e controlada. 23

26 Efeito Anódico Descreve um fenômeno no qual a intensidade da radiação emitida da extremidade do catodo do campo de raios X é maior do que aquela na extremidade do anodo. Isso é devido ao ângulo da face do anodo, de forma que há maior atenuação ou absorção dos raios-x na extremidade do anodo. A diferença na intensidade do feixe de raios X entre catodo e anodo pode variar de 30% a 50%. Na realização de estudos radiológicos do fêmur, perna, úmero, coluna lombar e torácica deve-se levar em conta a influência do efeito anódico na realização das incidências radiológicas pertinentes a estes estudos. Divergência do feixe de raios X Este é um conceito básico, porém importante, a ser compreendido em um estudo de posicionamento radiográfico. A divergência do feixe de raios X ocorre porque os raios X originam-se de uma fonte estreita no tubo e divergem ou espalham-se para cobrir todo o filme ou receptor de imagem. O tamanho do feixe de raios X é limitado por colimadores ajustáveis, que absorvem os raios X periféricos dos lados, controlando, assim, o tamanho do campo de colimação. Quanto maior 24

27 o campo de colimação e menor o DFoFi, maior o ângulo de divergência nas margens externas. Isso aumenta o potencial de distorção nestas margens externas. 25

28 Referências Bibliográficas Curry TS, Dowtey JI, Murry RC. Christensen`s Physics of Diagnostic radiology. 4 a edição. Filadélfia: Lea &Febiger Friedman M, Friedland GW. As Dez Maiores Descobertas da Medicina. São Paulo: Companhia das Letras 2000: Paul LW, Juhl JH. Interpretação Radiológica 6 a edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Agradecimentos Agradecemos a toda equipe do Colégio Técnico São Bento e em especial ao Professor Marciel Pereira Oliveira que participou da revisão desta apostila. 26