GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO

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1 GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO Prof. André L. C. Conceição DAFIS GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO Os raios X foram descobertos por Roentgen em 1895 e a radioatividade por Becquerel em Iniciou-se, assim, o uso desenfreado das radiações ionizantes. Haviam sido criadas fábricas de tubos de raios X sem nenhum controle. Não demorou muito para que pesquisadores percebessem que estavam diante de um agente extremamente potente, com grandes aplicações, mas que também poderia causar grandes danos à saúde. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO Entretanto, decorreram 30 anos desde a descoberta dos raios X até a tomada da decisão para se criar uma comissão que tratasse das questões relativas às radiações ionizantes: desenvolvimento de equipamentos, protocolos para medir níveis de radiação e cuidados ao se trabalhar com ela. A primeira comissão internacional a ser criada foi a International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU Comissão Internacional de Unidades e Medidas em Radiação), em 1925, em Londres. 1

2 GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO A demanda para a criação dessa comissão partiu da comunidade médica da área de radiologia. Como o próprio nome diz, ela tinha por finalidade estabelecer grandezas e unidades de Física das Radiações, critérios de medida e efetuar sua divulgação. Isso possibilitaria a comparação entre medidas feitas em diferentes laboratórios, clínicas e institutos de pesquisa, usando os mais variados equipamentos. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO Três anos depois, em 1928, uma segunda comissão internacional foi criada no Segundo Congresso Internacional de Radiologia, em Estocolmo, a International Commission on Radiological Protection (ICRP Comissão Internacional em Proteção Radiológica). Essa comissão nasceu com a incumbência de elaborar normas de proteção radiológica e estabelecer limites de exposição à radiação a indivíduos ocupacionalmente expostos (trabalhadores). Ambas as comissões, ICRU e ICRP, reúnem-se regularmente, ainda hoje e publicam normas novas ou atualizam as já existentes. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO As grandezas da Física das Radiações estão separadas em três principais categorias: grandezas físicas, grandezas de proteção e grandezas operacionais. As duas últimas são empregadas, exclusivamente, para fins de proteção radiológica. Grandezas de proteção: grandezas dosimétricas especificadas no corpo humano que foram introduzidas para o estabelecimento de limites de exposição à radiação, mas não podem ser medidas por nenhum equipamento. Como saber se um profissional, que foi exposto à radiação, está dentro dos limites de exposição? 2

3 GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO Para isso existem as grandezas operacionais. Grandezas operacionais: são empregadas para monitoração de área e individual e podem ser usadas para se estimar o limite dos valores das grandezas de proteção nos tecidos ou órgão ou no corpo como um todo exposto à radiação externamente. Elas estão correlacionadas com as respostas de instrumentos e de dosímetros, usados na monitoração. Entretanto, essas grandezas não foram definidas para o caso de dosimetria interna (caso de um indivíduo ingerir um radionuclídeo), onde outros métodos são aplicados. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO Para se relacionar as grandezas de proteção, com as operacionais, e ambas com as físicas, foram criados coeficientes de conversão, calculados pelo ICRU-57 de Grandeza Física: Dose Absorvida Q = wr wr ou wt Grandeza Operacional: Equivalente de Dose Grandezas de Proteção: Dose Equivalente Dose Efetiva : Exposição, Atividade, Dose Absorvida e Kerma. EXPOSIÇÃO (X): primeira grande grandeza relacionada à radiação, foi introduzida em 1928 no Segundo Congresso Internacional de Radiologia. Ela é definida pela letra X, pois está relacionada somente para fótons (RX ou gama) interagindo com o ar. É uma medida da capacidade de um fóton ionizar o ar, uma vez que ela verifica a quantidade de carga elétrica (de mesmo sinal) produzida em uma determinada massa de ar percorrida pela radiação. 3

4 A definição de exposição é dada por: X = Q i / m Onde: Q i é o valor absoluto da carga total de íons de mesmo sinal (em Coulomb C), produzidos em um volume de ar de massa m (em kg). Entretanto, pode ser fornecida não a quantidade de cargas (Qi), mas a quantidade de íons produzidos nas ionizações (Ni). Nesse caso, para calcular a exposição, basta fazer: X = Ni. 1, / m O ar foi o meio escolhido como padrão, porque: É muito mais fácil coletar íons produzidos em gases do que em meios líquidos ou sólidos. Há correspondência de usar o ar como gás em uma câmara de ionização (um tipo de detector). Na época em que foi estudada a exposição, a unidade aplicada era o Roentgen (R), mas no SI a unidade é C/kg (de ar), de modo que: 1 R = 2,58 x 10-4 C/kg ar 4

5 Exercício (1) Um volume de ar, de 500 g de massa, foi ionizado pela passagem de fótons de raios X. Verificou-se uma quantidade de 4,5 x íons produzidos por essa ionização. Qual a exposição (em R) a esse volume de ar? ATIVIDADE (A): referência a um elemento radioativo. Se refere ao número de desintegrações (decaimentos radioativos) por unidade de tempo (em segundos). A = desintegrações / t A unidade de atividade, no SI, é o Becquerel (Bq), que equivale a 1 desintegração/segundo. Mas, a unidade comumente utilizada é o Curie (Ci). Relação entre as duas unidades: 1 Ci = 3,7 x Bq Exercício (2) Um radionuclídeo realiza 14,8 x 10 8 desintegrações em 20 segundos. Qual a atividade desse radionuclídeo, em Ci? 5

6 RELAÇÃO ENTRE A E X : a exposição devida a raios gama emitidos por uma fonte radioativa de atividade conhecida, pode ser dada por: X = Γ. A. t / d 2 Onde: X é a exposição (em R), A é a atividade de um radionuclídeo (em Ci), t é o tempo de exposição do indivíduo à fonte (em h), d é a distância entre o radionuclídeo e o indivíduo (em m), Γ é a constante de taxa de exposição, característico de cada radionuclídeo (em R.m 2 /h.ci). Exercício (3) Um profissional entrou numa sala de irradiação e não percebeu uma fonte de Cs- 137 no local. Essa fonte estava com atividade de 300 mci e, foi estimado que, o profissional permaneceu a 150 cm dela durante 2 minutos. Qual a exposição, em R, na pele do corpo do indivíduo? 6

7 DOSE ABSORVIDA (D): a grandeza física mais importante na radiobiologia, radiologia e proteção radiológica é a dose absorvida (D), a qual se relaciona com a energia da radiação absorvida por um meio. Ela é definida como: D = E ab / m Onde, E ab é a energia média da radiação absorvida (em Joule J) por um volume de massa m de um meio qualquer (em kg). Ela foi introduzida em 1950 para ser usada, principalmente, em radioterapia para o tratamento de tumores. Precisava-se saber a quantidade de energia a ser fornecida ao tumor para matar as células malignas. Essa grandeza, ao contrário da exposição: Vale para qualquer meio. Vale para qualquer tipo de radiação. Vale para qualquer geometria de irradiação. Originalmente, sua unidade era o rad, mas a unidade no SI é o J/kg, sendo que a relação entre elas é dada por: 1 J/kg = 100 rad A partir de 1975, foi recomendada a substituição dessa unidade pelo gray (Gy), no sistema internacional (SI), onde: 1 Gy = 1 J/kg = 100 rad 7

8 RELAÇÃO ENTRE DOSE ABSORVIDA NO AR E EXPOSIÇÃO: Quando fótons interagem com o ar, partículas carregadas são liberadas (Exposição), e essas, por sua vez, interagirão com outros átomos através de colisões, depositando energia nesses átomos (Dose Absorvida). No caso de uma massa de 1 kg de ar ionizado pela passagem de fótons, gerando uma exposição de 1 R, a dose absorvida por esse meio será de 0, Gy ou 8,764 mgy. E se a exposição, nesse mesmo volume de ar, fosse de 2 R, qual seria a dose? E se a exposição fosse de 3 R? Assim, para sabermos a dose absorvida pelo ar, a partir da exposição, basta fazer: D ar = 8,764 X Para essa relação, a unidade da Dose no ar será em mgy para a unidade de X dada em R. Exercício (4) Um indivíduo entrou numa sala de irradiação e não percebeu uma fonte de Na-24. Essa fonte estava com atividade de 0,5 Ci e, foi estimado que, o mesmo permaneceu a 50 cm dela durante 20 minutos. Calcule: a) A exposição na superfície do indivíduo, em R. b) A dose absorvida pelo ar na superfície do corpo do indivíduo, em mgy. 8

9 Podemos, também, determinar a dose absorvida em um meio material a partir da dose absorvida no ar. Basta empregar um fator de conversão, chamado de fator f m : D meio = D ar f m Tabela do fator f m para alguns meios, em função da energia do fóton: Energia do Fóton f água f músculo f gordura f osso 10 kev ou 0,01 MeV 1,04 1,05 0,62 5,65 30 kev ou 0,03 MeV 1,01 1,05 0,62 6,96 50 kev ou 0,05 MeV 1,03 1,06 0,75 5, kev ou 0,1 MeV 1,10 1,09 1,05 1, kev ou 0,2 MeV 1,11 1,10 1,11 1, kev ou 0,6 MeV 1,11 1,10 1,11 1, kev ou 1,25 MeV 1,11 1,10 1,11 1,03 Exercício (5) A radiação gama emitida por uma fonte de Co-60, com atividade de 5 kci, é usada para irradiar um tumor muscular de um paciente durante 2 minutos, posicionando-o a 100 cm da fonte. Sendo a energia média do raio gama emitido pelo Co-60 igual a 1,25 MeV, qual a dose absorvida pelo tumor (músculo), em Gy? 9

10 KERMA (K): é uma grandeza com a mesma unidade que a dose absorvida (Gy). Kerma significa Kinetic Energy Released per Unit of Mass (Energia Cinética Transferida por unidade de Massa). É representada pelo quociente: K = E tr m Onde, E tr é a energia transferida ao meio (soma das energias cinéticas de todas as partículas carregadas liberadas a partir das interações dos fótons com o meio Compton, Fotoelétrico ou Produção de Pares). O kerma refere-se à energia que é transferida ao meio no ponto de interação (ou seja, quando o fóton incide na matéria). Muitas vezes, ele é confundido com dose absorvida, devido ao fato das duas grandezas terem a mesma unidade. Mas, o kerma se refere à energia do fóton que foi transferida ao meio no momento da interação, enquanto que a dose se refere à energia que foi absorvida pelo meio, a partir da liberação de partículas carregadas. O kerma é válido para fótons e para qualquer meio, e podemos relacioná-lo com a exposição da mesma forma que a dose absorvida no ar: K ar mgy = D ar mgy = 8, 764 X R 10

11 Exercício (6) Um indivíduo permaneceu exposto a uma fonte de Ir-192 (a qual possuía atividade de 32 Ci), por 9 minutos, estando a 3,7 m dela. Avalie o valor do kerma no ar, em Gy. Exercício (7) Uma fonte radioativa de Tc-99m realiza 74 x 10 8 desintegrações em 10 segundos. Como resultado dessas desintegrações, são emitidos fótons gama com uma energia próxima de 100 kev. Um tumor ósseo de um paciente foi irradiado por 5 minutos, a uma distância de 95 cm. a) Qual a exposição (em R) devido à essa fonte, no local onde está o paciente? b) Qual o valor do kerma no ar (em mgy), devido à essa exposição? c) Qual a dose entregue ao tumor (em mgy)? GRANDEZAS DE PROTEÇÃO GRANDEZAS DE PROTEÇÃO: dose equivalente no tecido ou órgão e dose efetiva. Elas são usadas para limitar a dose no tecido ou órgão (no primeiro caso) ou no corpo todo (segundo caso). Não são medidas, mas podem ser calculadas. As unidades de ambas é o Sievert (Sv). 11

12 GRANDEZAS DE PROTEÇÃO DOSE EQUIVALENTE NO TECIDO OU ÓRGÃO (H t ): ela é definida para qualquer tipo de radiação e o meio é o tecido ou o órgão em questão. A unidade original de dose equivalente era o rem, mas no SI a unidade é o Sv ou J/kg, de modo que: 1 Sv = 100 rem Ela é obtida a partir da dose absorvida D pelo tecido ou órgão exposto a alguma forma de radiação. É definida como: H t = w r D Onde, w r é o fator de ponderação da radiação, listado na tabela a seguir. GRANDEZAS DE PROTEÇÃO Os valores de w r são referentes a cada tipo de radiação e energia representando a efetividade biológica da radiação em induzir efeitos estocásticos (câncer ou hereditários). Essa grandeza é válida para limitar a exposição do cristalino, da pele, das mãos e dos pés, e também serve para o cálculo da dose efetiva. TIPOS DE RADIAÇÃO Fótons de todas as energias Elétrons de todas as energias w r (ICRP-2007) Prótons 2 Partículas Alfa GRANDEZAS DE PROTEÇÃO 12

13 Exercício (8) A radiação gama emitida por uma fonte de Co-60, com atividade de 500 mci, é usada para irradiar um tumor ósseo, de um paciente, durante 5 minutos, posicionando-o a 100 cm da fonte. Sendo a energia média do raio gama emitido pelo Co-60 igual a 1,25 MeV, responda: a) Qual a dose absorvida pelo tumor? b) Qual a dose equivalente recebida pelo tumor? GRANDEZAS DE PROTEÇÃO DOSE EFETIVA (E): serve para estabelecer limites de exposição do corpo todo ou de uma grande área à radiação, a fim de limitar a ocorrência de efeitos cancerígenos e hereditários. É a soma das doses equivalentes nos tecidos ou órgãos (H t ) multiplicada pelo fator de ponderação de um tecido ou órgão w t, e a sua unidade, também, é o Sievert (Sv). É definida como: E = H t w t Os fatores de ponderação w t de um tecido ou órgão estão listados na tabela a seguir e estão relacionados com a sensibilidade um dado tecido ou órgão à radiação, no que se refere à indução de câncer e efeitos hereditários. TECIDO OU ÓRGÃO W t (ICRP-103 DE 2007) Gônadas 0,08 Medula Óssea 0,12 Cólon 0,12 Pulmão 0,12 Estômago 0,12 Mama 0,12 Bexiga 0,04 Esôfago 0,04 Fígado 0,04 Tireoide 0,04 Superfície do Osso 0,01 Cérebro 0,01 Glândulas Salivares 0,01 Pele 0,01 Restante (Suprarrenais, Intestinos G e D, rins, músculo, pâncreas, baço, timo e útero) 0,12 Soma Total 1,00 13

14 GRANDEZAS DE PROTEÇÃO Wt 1 Wt 2 Wt 3 E = (Ht. Wt1) + (Ht. Wt2) + (Ht. Wt3) GRANDEZAS DE PROTEÇÃO APLICAÇÃO DOSE EFETIVA DOSE EQUIVALENTE ANUAL EM: CRISTALINO PELE EXTREMIDADES (MÃOS E PÉS) DOSE LIMITE OCUPACIONAL 20 msv por ano (média definida pelas doses nos últimos 5 anos) No máximo 50 msv em um único ano 20 msv 500 msv 500 msv Exercício (9) Suponha que um profissional tenha sido exposto a um campo homogêneo de raios X de 200 kev de energia, produzindo uma exposição total (durante 1 ano de exposição) de 19 R, responda (unidades do SI): a) Qual o valor da dose absorvida pela pele do indivíduo (considere a pele como sendo similar à água)? (b) Qual o valor da dose equivalente, na pele do indivíduo? (c) Qual o valor da dose efetiva em toda a pele do indivíduo? (d) Esse resultado supera o limite anual estipulado? 14

15 Exercício (10) Um paciente foi exposto a uma fonte de Co-60, gerando uma exposição total de 450 mr. Responda: (a) Qual a dose absorvida pela água, pelo tecido muscular e pelo tecido ósseo do paciente, devido à essa exposição? (b) Qual a dose equivalente recebida por cada um dos meios acima? (c) Qual a dose efetiva caso, nesta exposição, a mama (tecido similar à água), o músculo peitoral maior e as costelas tenham sido irradiados? GRANDEZAS OPERACIONAIS GRANDEZAS OPERACIONAIS (Equivalente de Dose Pessoal Hp): existem as recomendações internacionais e nacionais de limitação de dose de radiação, e as pessoas ocupacionalmente expostas devem obedecer a essa limitação. As grandezas utilizadas na limitação, porém, não são mensuráveis. Como é possível saber, então, se uma pessoa exposta ocupacionalmente à radiação está obedecendo às recomendações? A principal grandeza introduzida é o equivalente de dose pessoal, determinada a uma certa profundidade para os casos de irradiação com fontes externas ao corpo. A grandeza Hp é obtida pelo produto da dose absorvida (em um determinado ponto), em uma certa profundidade, pelo fator de qualidade Q da radiação: H p = Q D GRANDEZAS OPERACIONAIS Para fótons acima de 20 kev, adota-se a profundidade de 10 mm da pele e o valor obtido pode ser usado como estimativa da dose efetiva. Para fótons com energia abaixo de 20 kev (pouco penetrantes), adota-se a profundidade de 0,07 mm e o valor obtido pode ser usado pra estimar a dose equivalente na pele e extremidades. O valor de Hp é obtido por meio do monitor individual que o indivíduo ocupacionalmente exposto (trabalhador) utiliza no local do corpo, geralmente o tórax. Na rotina, a dose é acumulada durante um mês para, em seguida, haver o processamento do dosímetro. O valor obtido deve fornecer uma estimativa conservadora da dose efetiva. A unidade dessa grandezas também, é o Sv. 15

16 GRANDEZAS OPERACIONAIS Esse fator de qualidade da radiação é dado em função da transferência linear de energia (LET), uma vez que o LET depende do tipo de radiação e de sua energia. Para feixes aos quais estamos potencialmente mais expostos (RX, gama e elétrons), o fator de qualidade Q é 1, o que faz com que a dose absorvida D e o equivalente de dose Hp tenham o mesmo valor numérico. TIPOS DE RADIAÇÃO Q = w r (ICRP-2007) Fótons de todas as energias 1 Elétrons de todas as energias 1 Prótons 2 Partículas Alfa 20 Exercício (11) Uma pesquisadora estava exposta a uma solução contendo Po-210, que é uma fonte emissora de partículas alfa com energia de 5,3 MeV. Essa fonte entregou uma dose de 5,56 x 10-5 Gy à profundidade de 10 mm da pele da pesquisadora. Responda: a) Qual o equivalente de dose pessoal esta região? b) Se a fonte fosse o S-53 (emissor de partículas beta), que tivesse entregue a mesma dose ao corpo, qual teria sido o equivalente de dose pessoal na superfície? 16