FONTES DE LUZ LÍVIO DE BARROS SILVEIRA

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3 FONTES DE LUZ LÍVIO DE BARROS SILVEIRA Para melhor compreensão da utilização das fontes de luz utilizadas na apdt, é importante fazer uma breve revisão sobre radiação, energia, ondas e espectro eletromagnético. CAPÍTULO 01

4 C A P Í T U L O 01 RADIAÇÃO, ENERGIA E ONDAS O Universo que nos rodeia é banhado por um imenso oceano de luzes, das quais nossos olhos conseguem captar apenas uma pequeníssima fração. O termo luz fica reservado à pequena parcela de radiação eletromagnética que conseguimos enxergar. Por esta razão, é mais conveniente chamarmos ao conjunto de todas as luzes de RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA. A radiação eletromagnética é uma forma de energia IRRADIAR significa emitir, espalhar, projetar. Já RADIAÇÃO é aquilo que é irradiado por alguma coisa. Pode ser aplicado às várias formas de luz ou a feixes de partículas atômicas. A radiação visível que conseguimos perceber corresponde a uma estreita faixa do espectro eletromagnético. Para cada cor do espectro, está associado um número chamado COMPRIMENTO DE ONDA. A radiação eletromagnética é constituída de ondas eletromagnéticas, portanto, o conceito de onda é de fundamental importância para a compreensão de uma série de fenômenos físicos. Em termos formais, ONDA é o resultado de algum tipo de perturbação que se propaga em um meio qualquer, sem que este meio sofra qualquer deslocamento líquido de matéria. Quanto à origem, existem basicamente dois tipos de onda: ONDAS MECÂNICAS e ELETROMAGNÉTICAS. Atlas Clínico

5 TERAPIA FOTODINÂMICA E M O D O N T O L O G I A As ondas mecânicas dependem de um meio material para se propagarem (ondas do mar e ondas sonoras); já as ondas eletromagnéticas não dependem de um meio material pois correspondem à propagação de uma perturbação nos campos elétricos e magnéticos, que podem existir independentemente de um meio material. Existem ainda outras classificações para ondas, tais como longitudinais (ondas sonoras), transversais (ondas eletromagnéticas) e ondas estacionárias (cordas de um violão). Em uma onda eletromagnética, os campos elétricos e magnéticos são perpendiculares entre si e perpendiculares à propagação da onda, caracterizando uma onda do tipo transversal 85. Na Figura 01, uma onda é a propagação de uma perturbação em um meio qualquer, sem que haja movimento líquido das partículas do meio, isto é, as partículas sobem e descem, como indicado pelas setas verticais, mas na média permanece no mesmo lugar. A distância entre os pontos máximos e mínimos do sobe e desce das partículas do meio define a amplitude da onda. A distância entre dois picos ou dois vales, ou ainda, dois pontos quaisquer equivalentes da onda, define o que se chama comprimento de onda, designado normalmente pela letra grega lambda (λ). 01. Representação esquemática das ondas eletromagnéticas. 004

6 C A P Í T U L O 01 O número de ciclos de sobe e desce, por unidade de tempo, define a frequência da onda, medida normalmente em Hertz ou ciclos por segundo, e representada, geralmente, pela letra f ou ainda pela letra grega ν 85. O produto do comprimento de onda pela frequência da onda fornece a velocidade de propagação da onda no meio em questão, isto é, a velocidade com que a perturbação se propaga. No caso das ondas eletromagnéticas no vácuo, este produto fornece a velocidade da luz (c = km/s). 005 As radiações eletromagnéticas têm sempre a mesma natureza e se caracterizam pela sua energia, pela sua frequência ou pelo seu comprimento de onda, uma vez que estas três características estão interrelacionadas. O espectro apresenta radiações de energias e frequências muito altas, e comprimentos de onda muito curtos, que vão variando, e chegam a regiões de energia e frequência muito baixas e comprimentos de onda grandes. A frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda. ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO A transmissão de energia na forma de ondas, contendo um componente elétrico e outro magnético, pode ser produzida pela aceleração de uma carga elétrica em um campo magnético. O conjunto de todas as ondas eletromagnéticas recebe o nome de espectro eletromagnético. Atlas Clínico

7 TERAPIA FOTODINÂMICA E M O D O N T O L O G I A O espectro da radiação eletromagnética engloba ondas de rádio, microondas, infravermelhos, luz visível, ultravioleta, raios x e os raios gama. Esses nomes indicam áreas do espectro divididas com fins didáticos e práticos, pois o espectro é contínuo e não há diferenças abruptas entre as formas de radiação e todas são, basicamente, o mesmo fenômeno físico. Todas irradiam pelo espaço com a velocidade da luz, de cerca de 300 mil km/s. Os vários tipos de ondas eletromagnéticas diferem no comprimento de onda e na frequência da radiação 85, que fazem com que tenham diferentes características, como o poder de penetração dos raios X ou o aquecimento do infravermelho (Figura 02). COMPRIMENTO DE ONDA (em metros) raios gama raios x raios ultravioleta frequência (em hertz) raios infravermelhos micro ondas ondas de radio LUZ VISÍVEL 02. Representação do espectro eletromagnético. 006

8 C A P Í T U L O 01 ESPECTRO DA LUZ VISÍVEL Newton foi o primeiro a reconhecer que a luz branca é constituída por todas as cores do espectro visível e que o prisma não cria cores por alterar a luz branca, como se pensou durante séculos, mas sim por dispersar a luz, separando-a nas suas cores constituintes. O detector humano olho-cérebro percebe o branco como uma vasta mistura de frequências, normalmente, com energias semelhantes em cada intervalo de frequência 85. A cor não é uma propriedade da luz, mas sim uma manifestação eletroquímica do sistema sensorial (olhos, nervos, cérebro). 007 A luz branca contém todas as cores. Assim, se recebermos simultaneamente todas as cores do espectro visível, a luz visível de maior comprimento de onda é a vermelha e a de menor comprimento de onda é a violeta e cada frequência determina a sensação de uma cor 151 (Figura 03). O espectro de luz visível compreende uma faixa pequena quando comparada com o conjunto do espectro da radiação eletromagnética, isto é, comprimentos de onda no intervalo de 400 a 750nm, aproximadamente, compreendendo as seguintes cores: violeta, anil, azul, verde, amarelo, alaranjado e vermelho 85 (Figura 04). A luz visível de maior comprimento de onda é a vermelha e a de menor comprimento de onda é a violeta. Suas frequências vão de aproximadamente 384x10 12 Hz (para o vermelho) até cerca de 769x10 12 Hz (para o violeta) 18. Atlas Clínico

9 TERAPIA FOTODINÂMICA E M O D O N T O L O G I A 400nm 500nm electric field 600nm distance 03. Representação esquemática de cores com comprimento de onda emitindo no visível do espectro eletromagnético, modificado de Taylor; French 151. ESPECTRO VISÍVEL Região do ultravioleta Região do infravermelho COMPRIMENTO DE ONDA (nm) 04. Representação esquemática do espectro visível. 008

10 C A P Í T U L O 01 COR COMPRIMENTO DE ONDA (nm) FREQUÊNCIA (10 12 Hz) VERMELHO LARANJA AMARELO VERDE AZUL VIOLETA TABELA 01. Valores de frequências e comprimentos de onda, no vácuo, observando- -se que à medida que o comprimento de onda aumenta, a frequência diminui. NOME INTERVALO ESPECTRAL (nm) CARACTERÍSTICAS UVC Completamente absorvida pelo O 2 e O 3 estratosférico e, portanto, não atinge a superfície terrestre. É utilizada na esterilização de água e materiais cirúrgicos. UVB Fortemente absorvida pelo O 3 estratosférico. É prejudicial à saúde humana, podendo causar queimaduras e, em longo prazo, câncer de pele. UVA Sofre pouca absorção pelo O 3 estratosférico. É importante para sintetizar a vitamina D no organismo. Porém o excesso de exposição pode causar queimaduras e, em longo prazo, causa o envelhecimento precoce. TABELA 02. Intervalos espectrais da região do ultravioleta no espectro eletromagnético. Atlas Clínico

11 TERAPIA FOTODINÂMICA E M O D O N T O L O G I A ESPECTRO INFRAVERMELHO Esta forma de radiação foi descoberta por acaso, em 1800, por Sir William Herschele; é a porção do espectro eletromagnético limitada pelo espectro visível no lado de menor comprimento de onda e por microondas no lado de maior comprimento de onda. A região do infravermelho estende-se dos 3x10 11 Hz até aproximadamente aos 384x10 12 Hz. O infravermelho (IV) é vulgarmente subdividido em três regiões: IV próximo (próximo do visível) ( nm), IV intermédio ( nm) e IV longínquo (50000nm 1mm). Os corpos quentes emitem, abundantemente, radiações infravermelhas. De forma semelhante aos animais de sangue quente, o ser humano irradia no infravermelho e essa emissão é explorada por dispositivos de visão noturna. São utilizadas nos controles remotos dos aparelhos de televisão, de portas de automóveis, bem como no tratamento de processos inflamatórios. RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA Adjacente à luz visível no espectro eletromagnético encontra-se a região dos raios ultravioleta, descoberta por Johann Wilhelm Ritter ( ). A radiação ultravioleta (UV) é a parte do espectro eletromagnético referente aos comprimentos de onda entre 100 e 400nm. De acordo com a intensidade que a UV é absorvida pelo oxigênio (O 2 ), ozônio (O 3 ) e, também, por seus efeitos fotobiológicos, a região UV pode ser dividida em três intervalos, de acordo com a Tabela

12 C A P Í T U L O 01 O olho humano não consegue enxergar facilmente no ultravioleta porque a córnea absorve-o, particularmente, para pequenos comprimentos de onda, enquanto que o cristalino absorve mais fortemente para comprimentos de onda maiores. Alguns animais, como por exemplo, as abelhas e os pombos, reagem aos raios ultravioleta. A região do ultravioleta estende-se dos 800x10 12 Hz até cerca de 3,4x10 16 Hz (com comprimentos de onda desde 3,75x10-7 m até cerca de 8x10-9 m).a grande atividade química das radiações ultravioletas confere-lhes poder bactericida, sendo aproveitado na esterilização de alguns produtos. 011 Algumas substâncias, quando sujeitas às radiações ultravioleta, emitem luz visível. Os átomos destas substâncias, chamadas fluorescentes, absorvem a radiação ultravioleta (invisível), e irradiam radiação visível para o ser humano. Os ponteiros de alguns relógios contêm vestígios dessas substâncias para serem visíveis à noite. Outras substâncias, designadas fosforescentes, mantêm a emissão de luz visível durante algum tempo depois de terem sido sujeitas à radiação ultravioleta. Atlas Clínico

13 TERAPIA FOTODINÂMICA E M O D O N T O L O G I A LASER A palavra laser é uma abreviação de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que significa amplificação da luz por emissão estimulada de radiação 18,94. Em 1917, Einstein descreveu a emissão estimulada, de forma teórica, definindo que, sob certas condições, um átomo pode estar excitado e ser estimulado a emitir um fóton, provocado ou induzido por um fóton externo, de mesma energia 94. As propriedades físicas da luz laser são: monocromaticidade, coerência e direcionalidade 72,149,151 (Figura 05). A monocromaticidade é a propriedade física que representa a pureza da luz, justificada pelo feixe de laser ser composto por apenas um único comprimento de onda, de forma que, se atravessarmos essa luz por um prisma, ela sairá do outro lado da mesma forma como incidiu. Os lasers utilizados nas áreas biomédicas possuem comprimentos de onda situados no espectro eletromagnético variando entre a faixa do ultravioleta passando pelo visível e chegando até o infravermelho 85,151. A coerência é a propriedade representada pelo alinhamento das ondas luminosas com mesma frequência, com características de possuir coincidências de cristas e vales destas mesmas ondas luminosas que compõem o feixe, permitindo que caminhe de forma paralela e ordenada no tempo e no espaço 26,73,

14 C A P Í T U L O 01 LUZ MONOCROMÁTICA COERENTE 013 LUZ MONOCROMÁTICA INCOERENTE LUZ NÃO MONOCROMÁTICA INCOERENTE 05. Composição da luz: monocromaticidade e coerência, de TAYLOR e FRENCH 151 reproduzido por SILVEIRA 133. Atlas Clínico

15 TERAPIA FOTODINÂMICA E M O D O N T O L O G I A A direcionalidade é definida pela capacidade que essa luz possui de se propagar em uma única direção. Os lasers são classificados em dois grandes grupos: lasers de baixa intensidade e lasers de alta intensidade, diferenciando-se basicamente no modo de atuação e pelos efeitos que podem resultar nos materiais ou tecidos biológicos 133. Os lasers de alta intensidade, também conhecidos como Power Laser ou laser cirúrgico (HILT High Intensity Laser Treatment), podem ser usados para coagulação, corte, vaporização e carbonização, de acordo, principalmente, com o efeito térmico promovido após a absorção da luz pela matéria. Os lasers de baixa intensidade, também conhecidos como Soft Laser ou laser terapêutico (LILT Low Intensity Laser Therapy), são utilizados levando a uma interação que exclui a possibilidade de manifestação dos efeitos térmicos mensuráveis clinicamente sobre os tecidos 31,133,154, resultando, basicamente em efeitos fotoquímicos e fotofísicos

16 C A P Í T U L O 01 A Figura 06 ilustra os tipos de lasers e a faixa do espectro eletromagnético mais utilizado nos sistemas biológicos, com suas respectivas afinidades pelas substâncias cromóforas dos tecidos vivos Puig 0.1 μm PROFUNDIDADE DE TRANSMISSÃO 1 μm 10 μm 0,1 mm 1 mm 1 cm 10 cm 1 m 10 m 100 m 015 PRINCIPAIS CROMÓFOROS DE TECIDOS BIOLÓGICOS Mestrado profissionalizante Lasers em Odontologia EXCIMER Co 2 Er Ho Tm Nd Rubi Kriptônio He-Ne Vapor Cu Nd (2Ø) Argônio XeF XeCl KrF ArF DOPA-Melanina 10 3 Melanina 10 2 Adenina Photofrin 10 1 Hemoglobina Oxihemoglobina 10 0 Hidroxiapatita 10-1 Proteína 10-2 Água COMPRIMENTO DE ONDA (μm) COEFICIENTE DE ABSORÇÃO (cm -1 ) 06. Gráfico apresentando os principais cromóforos dos tecidos biológicos e os lasers mais utilizados, modificado de Maldonado 96. Atlas Clínico

17 TERAPIA FOTODINÂMICA E M O D O N T O L O G I A DIODOS EMISSORES DE LUZ (LIGHT EMITTING DIODES - LEDS) Os LEDs são estruturas compostas por dois materiais semicondutores nos quais, em sua junção, por diferença de cargas, ocorre a emissão de luz, sem aumento de temperatura, e a emissão é espontânea, diferindo-se dos lasers que produzem emissão estimulada de radiação 171. Um LED ou diodo emissor de luz é um componente eletrônico formado por um material semicondutor que emite luz quando uma corrente elétrica passa através desse. Os LEDs emitem luz por meio da movimentação de elétrons através de diferentes materiais semicondutores, produzindo uma emissão espontânea de fótons não coerentes (Figura 07). Feixe de Luz Microchip A B 07. A,B Microchip do LED (A) e produção de radiação eletromagnética (B). 016

18 C A P Í T U L O Os LEDs são diodos especiais que emitem luz quando conectados em um circuito. Eles são, frequentemente, usados como luz piloto em equipamentos eletroeletrônicos indicando quando o circuito está fechado ou não. Os dois filamentos que existem debaixo do LED indicam como eles deveriam ser conectados em um circuito. O lado negativo de um LED é indicado de duas maneiras: 1) pelo lado plano do bulbo e 2) pelo mais curto dos dois fios que se estendem dos LEDs. A parte anterior negativa do LED deveria ser conectada na parte negativa da bateria. Os LEDs operam em voltagens relativamente baixas, entre aproximadamente de um a quatro volts, e com correntes de aproximadamente 10 a 40 milliamperes já que voltagens e correntes acima desses valores podem derreter o chip de um LED. A parte mais importante de um LED é o chip de um semicondutor localizado no centro do bulbo, composto de uma região p, que é dominada por cargas elétricas positivas, e da região n, que é dominada por cargas elétricas negativas, separadas por uma junção que age como uma barreira ao fluxo de elétrons entre as duas regiões. Somente quando uma voltagem suficiente é aplicada no chip do semicondutor que a corrente pode fluir com os elétrons transitando para a região p (Figura 08) 19. Entre os dispositivos utilizados como fonte de luz, os LEDs são os mais simples e baratos, e sua principal desvantagem em relação aos lasers reside no espectro mais largo de luz gerada. Mas são extrema- Atlas Clínico

19 TERAPIA FOTODINÂMICA E M O D O N T O L O G I A mente mais eficazes do que a luz halógena por possuírem um espectro de emissão bem mais estreito do que estas 148. A diferença básica entre LEDs e lasers é que nos primeiros predomina o mecanismo da emissão espontânea de radiação e nos lasers a emissão da luz é estimulada. Desta distinção básica decorrem as diferenças estruturais entre os dois dispositivos, nem sempre acentuadas, gerando diferenças funcionais, que dão aos lasers um desempenho geralmente superior, porém, mais caro e complicado 81. Várias são as aplicações para luzes emitidas por diodos, desde mostradores de relógios eletrônicos, projeção de filmes, fotopolimerização de resinas odontológicas, pesquisas sobre crescimento de plantas e terapia fotodinâmica (PDT). Os LEDs são podem ser utilizados como alternativa para a apdt por terem uma ampla faixa de comprimento de onda e serem equipamentos mais compactos 29,92. A comparação entre os efeitos terapêuticos apresentados pelo laser de baixa intensidade e os LEDs não mostrou diferenças significativas. Os mecanismos de ação na estrutura celular possuem os mesmos efeitos, em iguais comprimentos de ondas, tempos de aplicação e intensidades

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