Introd. Física Médica

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1 Introd. Física Médica Aula 06 Medicina nuclear Prof. Nasser

2 A ESTRUTURA DA MATÉRIA E O ÁTOMO ESTRUTURA DO NÚCLEO OS ISÓTOPOS RADIOATIVIDADE RADIAÇÃO ALFA OU PARTÍCULA ALFA RADIAÇÃO BETA OU PARTÍCULA BETA RADIAÇÃO GAMA PARTÍCULAS E ONDAS ATIVIDADE DE UMA AMOSTRA DESINTEGRAÇÃO OU TRAMUTAÇÃO RADIOATIVA MEIA-VIDA 2

3 A ESTRUTURA DA MATÉRIA E O ÁTOMO Radioatividade. Apostila educativa. Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN).ELIEZER DE MOURA CARDOSO. Colaboradores: Ismar Pinto Alves; José Mendonça de Lima; Luiz Tahuata; Paulo Fernando Heilbron Filho; Claudio Braz; Sonia Pestana. 3

4 OS ISÓTOPOS O número de nêutrons no núcleo pode ser variável, pois eles não têm carga elétrica. Com isso, um mesmo elemento químico pode ter massas diferentes. Átomos de um mesmo elemento químico com massas diferentes são denominados isótopos. O hidrogênio tem 3 isótopos: o hidrogênio, o deutério e o trício (ou trítio). O urânio, que possui 92 prótons no núcleo, existe na natureza na forma de 3 isótopos: U-234, com 142 nêutrons (em quantidade desprezível); U-235, com 143 nêutrons, usado em reatores, após enriquecido (0,7%); U-238, com 146 nêutrons no núcleo (99,3%). 4

5 Introdução a Física Médica 5

6 RADIOATIVIDADE O esquecimento de uma rocha de urânio sobre um filme fotográfico virgem levou à descoberta de um fenômeno interessante: o filme foi velado (marcado) por alguma coisa que saía da rocha, na época denominada raios ou radiações. Outros elementos pesados, com massas próximas à do urânio, como o rádio e o polônio, também tinham a mesma propriedade. O fenômeno foi denominado radioatividade e os elementos que apresentavam essa propriedade foram chamados de elementos radioativos. Comprovou-se que um núcleo muito energético, por ter excesso de partículas ou de carga, tende a estabilizar-se, emitindo algumas partículas. 6

7 Nobeis Maria Skłodowska-Curie 1903 (Fís.) dividido com seu marido Pierre Curie e Becquerel pelas suas descobertas no campo da radioatividade 1911 (Quím.) Descobriu os elementos químicos rádio e polônio. 7

8 RADIAÇÃO ALFA OU PARTÍCULA ALFA Um dos processos de estabilização de um núcleo com excesso de energia é o da emissão de um grupo de partículas positivas, constituídas por dois prótons e dois nêutrons, e da energia a elas associada. São as radiações alfa ou partículas alfa, núcleos de hélio (He), um gás chamado nobre por não reagir quimicamente com os demais elementos. 8

9 RADIAÇÃO BETA OU PARTÍCULA BETA Outra forma de estabilização, quando existe no núcleo um excesso de nêutrons em relação a prótons, é através da emissão de uma partícula negativa, um elétron, resultante da conversão de um nêutron em um próton. É a partícula beta negativa ou, simplesmente, partícula beta. No caso de existir excesso de cargas positivas (prótons), é emitida uma partícula beta positiva, chamada pósitron, resultante da conversão de um próton em um nêutron. Portanto, a radiação beta é constituída de partículas emitidas por um núcleo, quando da transformação de nêutrons em prótons (partículas beta) ou de prótons em nêutrons (pósitrons). 9

10 RADIAÇÃO GAMA Geralmente, após a emissão de uma partícula alfa (α ) ou beta (β ), o núcleo resultante desse processo, ainda com excesso de energia, procura estabilizar-se, emitindo esse excesso em forma de onda eletromagnética, da mesma natureza da luz, denominada radiação gama. 10

11 PARTÍCULAS E ONDAS Conforme foi descrito, as radiações nucleares podem ser de dois tipos: a) partículas, possuindo massa, carga elétrica e velocidade, esta dependente do valor de sua energia; b) ondas eletromagnéticas, que não possuem massa e se propagam com a velocidade de km/s, para qualquer valor de sua energia. São da mesma natureza da luz e das ondas de transmissão de rádio e TV. A identificação desses tipos de radiação foi feita utilizando-se uma porção de material radioativo, com o feixe de radiações passando por entre duas placas polarizadas com um forte campo elétrico. 11

12 Uma outra forma de se demonstrar o poder de blindagem dos materiais seria sua comparação com a espessura relativa do chumbo que possui, em geral, maior poder de blindagem. 12

13 Tipos de radiações ionizantes Tipo da Radiação Energia (MeV) Velocidade (m /s) Alfa (α) 1 a 4 7, a 1, Beta (β) 0,1 a 1 1, a 2, Nêutron 2, a 0,1 2, a 1, Próton 1 1, Raio X Qualquer 3, Raio gama (γ) Qualquer 3,

14 ATIVIDADE DE UMA AMOSTRA Os núcleos instáveis de uma mesma espécie (mesmo elemento químico) e de massas diferentes, denominados radioisótopos, não realizam todas as mudanças ao mesmo tempo. As emissões de radiação são feitas de modo imprevisto e não se pode adivinhar o momento em que um determinado núcleo irá emitir radiação. Entretanto, para a grande quantidade de átomos existente em uma amostra é razoável esperar-se um certo número de emissões ou transformações em cada segundo. Essa taxa de transformações é denominada atividade da amostra. 14

15 UNIDADE DE ATIVIDADE A atividade de uma amostra com átomos radioativos (ou fonte radioativa) é medida em: Bq (Becquerel) = 1 desintegração por segundo Ci (Curie) = 3,7 x Bq 15

16 DECAIMENTO OU TRANSMUTAÇÃO RADIOATIVA Núcleos com excesso de energia tende a estabilizar-se, emitindo partículas alfa, beta ou gama. Em cada emissão de uma dessas partículas, há uma variação do número de prótons no núcleo, isto é, o elemento se transforma ou se transmuta em outro, de comportamento químico diferente. Essa transmutação também é conhecida como desintegração radioativa, designação não muito adequada, porque dá a ideia de desagregação total do átomo e não apenas da perda de sua integridade. Um termo mais apropriado é decaimento radioativo, que sugere a diminuição gradual de massa e atividade. 16

17 MEIA-VIDA Cada elemento radioativo, seja natural ou obtido artificialmente, se transmuta ( decai ) a uma velocidade que lhe é característica. Para se acompanhar a duração (ou a vida ) de um elemento radioativo foi preciso estabelecer uma forma de comparação. Por exemplo, quanto tempo leva para um elemento radioativo ter sua atividade reduzida à metade da atividade inicial? Esse tempo foi denominado meia-vida do elemento. 17

18 MEIA-VIDA (T 1/2 ) Tempo necessário para a atividade (A) de um elemento radioativo ser reduzida à metade da atividade inicial (A 0 /2). A = A 0 e A 0 é a atividade inicial (em t=0), t é o tempo e µt T = 1 2 µ é uma constante, que depende do RI. ln 2 µ 18

19 MEIA-VIDA Isso significa que, para cada meia-vida que passa, a atividade vai sendo reduzida à metade da anterior, até atingir um valor insignificante, que não permite mais distinguir suas radiações das do meio ambiente. Dependendo do valor inicial, em muitas fontes radioativas utilizadas em laboratórios de análise e pesquisa, após 10 (dez) meias vidas, atinge-se esse nível. Entretanto, não se pode confiar totalmente nessa receita e sim numa medida com um detector apropriado, pois, nas fontes usadas na indústria e na medicina, mesmo após 10 meias-vidas, a atividade da fonte ainda é geralmente muito alta. 19

20 Introdução a Física Médica

21 DECAIMENTO RADIOATIVO: Transição Isomérica e Conversão Interna O decaimento de um núcleo ( pai ) no estado metaestável (ou isomérico) em um outro núcleo ( filho ) pela emissão de um fóton γ é chamado de transição isomérica. Os núcleos filhos de um pai radioativo podem ser metaestáveis. Não há diferenças entre o decaimento por emissão γ de um estado excitado ou um metaestável, apenas o tempo de vida médio maior para o metaestável [Sorenson, 87]. Devido à sua meia-vida relativamente longa (da ordem de horas/dias), os radionuclídeos metaestáveis são de grande importância na medicina nuclear, pois eles são fontes de fótons γ relativamente puros. A medicina nuclear se utiliza, geralmente, de elementos que emitem como única, ou principal, partícula os fótons γ. O radionuclídeo atualmente mais largamente utilizado em medicina nuclear é o tecnécio-99m ( 99m Tc). O 99m Tc é metaestável. Este radioisótopo é 'filho' do molibdênio ( 99 Mo). O 99m Tc é um emissor γ puro e emite fótons γ de energia de 140 kev com meiavida física de 6 horas [Bernier, 81]. Figura 2.1 (A) a transmutação nuclear do molibdênio ( 99 Mo) em 99m Tc, deste para 99 Tc e deste para o rutênio ( 99 Ru) (extraído de Bernier, 81); (B) os níveis de energia do decaimento do tecnécio-99m (extraído de Sorenson, 87). 21

22 UM EXEMPLO PRÁTICO Vejamos o caso do iodo-131, utilizado em Medicina Nuclear para exames de tireóide, que possui a meia-vida de oito dias. Isso significa que, decorridos 8 dias, atividade ingerida pelo paciente será reduzida à metade. Passados mais 8 dias, cairá à metade desse valor, ou seja, ¼ da atividade inicial e assim sucessivamente. Após 80 dias (10 meias vidas), atingirá um valor cerca de 1000 vezes menor. Entretanto, se for necessário aplicarse uma quantidade maior de iodo-131 no paciente, não se poderia esperar por 10 meias-vidas (80 dias - meia vida física), para que a atividade na tireoide tivesse um valor desprezível. Isso inviabilizaria os diagnósticos que utilizam material radioativo, já que o paciente seria uma fonte radioativa ambulante e não poderia ficar confinado durante todo esse período. 22

23 A MEDICINA NUCLEAR A medicina nuclear (ou simplesmente cintilografia) permite a obtenção de informações fundamentalmente fisiológicas. A medicina nuclear tem a vantagem de apresentar estes informações na forma de imagens. Para se obter estas imagens é necessário que se marquem as áreas de interesse, geralmente um órgão ou parte deste, com um fármaco ligado a um radionuclídeo, chamado de radiofármaco, que tenha afinidade por aquele órgão ou estrutura. F-18 FDG whole body PET acquisition, showing abnormal focal uptake in the liver. Normal isotope levels are seen in the brain, renal collection systems, and bladder. Image is rotating clockwise. 23

24 sica Médica Introdução a Fís Figura 2.2 A) Sistema de rastreamento retilíneo. B) exemplo de um exame de tireóide usando o 131 I ( extraídos de Sorenson, 87). 24

25 A CÂMARA DE CINTILAÇÃO OU GAMA CAMARA É um detector de fótons. Tem a capacidade de discriminá-los em sua energia e sua distribuição espacial Gera imagens representando esta distribuição em filmes ou em uma tela de computador. 25

26 Componentes básicos de uma câmara de cintilação Colimadores Cristal cintilador Conjunto de tubos fotomultiplicadores Amplificador /analisador de altura de pulso Circuito lógico de posição X-Y Tubo de raios catódicos ou computador Esquema de uma câmara de cintilação (extraído de Sorenson, 87). 26

27 Colimadores Figura 2.4 (A) colimador de furos paralelos: o objeto (a) projeta a mesma imagem (b) na face do cristal, o campo de visão (field of view) não varia com a distância ao colimador; (B) Colimador de Furos Divergentes: o tamanho da imagem (b) é menor que tamanho do objeto (a); (C) colimador Pinhole; e (D) colimador de furos Convergentes: produz uma imagem (b) magnificada de um objeto (a) (extraído de Chandra, 87). 27

28 Cristal Cintilador de NaI(Tl) Cristal sólido inorgânico de iodeto de sódio ativado com pequenas quantidades de tálio [NaI(Tl)] Partículas γ ou β, vinda de algum radionuclídeo, podem causar ionizações e excitações dos átomos ao interagir com o meio, pela deposição de energia neste meio. Quando o produto dessas ionizações e excitações se recombinam ou se desexcitam, há liberação de energia. Certos materiais liberam esta energia na forma de luz visível. Estes materiais são chamados de cintiladores e a luz produzida é a cintilação. A cintilação (quantidade de luz produzida por um único fóton γ ou partícula β) é muito pequena. Dimensões típicas de um cristal cintilador usado em medicina nuclear são 1,25 cm de espessura entre 30 e 50 cm de diâmetro. Principal propriedade do detector de NaI(Tl): produz um sinal de saída para os tubos fotomultiplicadores (abaixo) proporcional em amplitude à quantidade da energia absorvida no cristal. 28

29 Tubos fotomultiplicadores (PMT) Tubos eletrônicos que produzem um pulso de corrente elétrica quando estimulados com uma pequena quantidade de cintilação, produzida por partículas β ou raios γ incidentes sobre o cristal de NaI(Tl). O PMT é formado pelo cátodo, estágios de dinodos e pelo ânodo. O cátodo da fotomultiplicadora é feito de um material fotoemissor: quando atingido por luz, emite elétrons (efeito fotoelétrico), os quais são ejetados por uma diferença de potencial sobre os estágios de dinodos para serem multiplicados. A eficiência desta conversão de luz em elétrons é, tipicamente, de um a três fotoelétrons para dez fótons de luz incidente no fotocatodo [Sorenson, 87]. 29

30 Pré-amplificadores e Amplificadores Detetores de radiação usados na medicina nuclear geram pulsos de carga ou corrente elétrica que são contados para determinar o número de eventos detectados. Pela análise da amplitude dos pulsos de saída das PMT s é possível determinar a energia de cada evento de radiação detectado. Analisador de Altura de Pulso (AAP) o pulso de tensão vindo do amplificador é proporcional à quantidade de energia depositada no cristal pela radiação. O analisador de altura de pulso (AAP) faz o exame das amplitudes das saídas do amplificador, o que possibilita determinar as energias dos eventos de radiação. O AAP faz uma contagem seletiva somente de pulsos dentro de certos limites de amplitude, restringindo as contagens dentro destes limites de energia selecionados, discriminando-os da radiação de fundo (background), radiação espalhada 30

31 Sendo o 99m Tc o radionuclídeo mais amplamente usado em medicina nuclear atualmente, geralmente utiliza-se uma janela de energia de 20% em torno do fotopico do 99m Tc (140 kev), entre 126 a 154 kev (figura 2.6). Figura 2.6: Gráfico mostrando o fotopico do 99m Tc em 140 kev e a janela de energia (window) de 20% em torno do fotopico. Neste espectro do 99m Tc, primário ( primary ) refere-se aos raios γ não espalhados e espalhamento por objetos ( object scatter ) aos γ espalhados por materiais em torno da fonte (adaptado de Sorenson, 87). 31

32 Exemplos de exames por Med. Nuclear ESQUERDA-Lung scintigraphy. CENTRO-A scintigraphy of the whole body using a gamma camera detector and Iodine-131 radioactive labelling. Image shows uptake of iodine in the thyroid region after a total thyroidectomy due to papillary thyroid cancer, performed one month before, and a 200 mcurie dose one week before. DIREITA- exame de tireoide, com 99mTc.

33 Positron emission tomography ESQUERDA- Schematic view of a detector block and ring of a PET scanner. Direita- Schema of a PET acquisition process

34 Positron emission tomography complete body PET / CT Fusion image. DIREITA - A Brain PET / MRI Fusion image

35 MEDIDA DA ENERGIA ABSORVIDA: Quando se expõe um ser humano ou qualquer outra matéria à radiação, estes absorverão parte da energia e receberão certa dose de radiação. A unidade utilizada a partir de 1962, por orientação da Comissão Internacional de Unidades e Medidas Radiológicas(ICRU), para medir a dose absorvida chama-se rad.a partir de 1985 outra denominação vem substituindo o rad, é o gray(gy); um Gy=100rad.Para se ter uma idéia de medida, uma pessoa que receber uma dose de 6 a 8Gy no corpo todo morrerá. Outra unidade de absorção utilizada é o rem(roentgen equivalent in man).é uma unidade utilizada somente para aspectos reacionados à proteção radiológica.esta unidade é parecida com o rad, mas leva em conta diferentes efeito biológicos em relação aos diferentes tipos de radiação. ENERGIA: O eletrovolt é uma unidade bastante utilizada no campo da radioatividade. Veja como ocorre a formação de raio X.Um filamento é aquecido, e desse filamento saem elétrons.coloca-se um alvo(positivo) na frente deles, que são assim atraídos e se chocam nesse alvo.a velocidade de choque dos elétrons no alvo vai depender da DDP(diferença de potencial) entre o alvo e o filamento.a DDP é medida em volts ou quilovolts(kv).ao se chocar no alvo o elétron transfere energia, e parte dessa energia se transforma em raio X.A energia do raio X oriundo do choque de um elétron numa DDP de um kv é um eletrovolt( 1eV). Como sempre, há os múltiplos do ev: 1000 x 1eV = 1keV (1 quiloeletrovolt) x 1eV = 1MeV(1 megaeletrovolt) Para dar uma noção de grandeza: a energia das radiações usadas em aparelhos de raios X diagnósticos é ao redor de 200 a 400keV. 35

36 sica Médica Introdução a Fís PRODUÇÃO DE RAIOS X EM AMPOLAS RADIOGRÁFICAS: ESTUDO DO TOMÓGRAFO COMPUTADORIZADO DO HOSPITAL

37 Bibliografia 1. Eisber&Resnick. Fisica Quantica Ed. Campus (20a tiragem, 1979) 2. J. Sorenson, M. E. Phelps. Physics in Nuclear Medicine (2nd Ed.). W.B. Saunders Co. 3. ATTIX, F.H. Introduction to radiological physics and radiation dosimetry. John Wiley & Sons, New York, GANDHI, O.P. Biological effects and medical applications of eletromagnetic energy. Prentice Hall, New York, JOHNS, H.N.; CUNNIGHAN, J.R. The physics of radiology. Charles C. Thomaz Pu-blisher, Illinois, USA, EVANS, R. D. The atomic nucleus. Krieger, Malabar, FL,