4. Grandezas e unidades utilizadas na caracterização da atenuação dos raios-x nos tecidos biológicos

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1 4. Grandezas e unidades utilizadas na caracterização da atenuação dos raios-x nos tecidos biológicos Antes de prosseguir co o estudo dos equipaentos e das iagens obtidas através dos raios-x propriaente ditos, ir-se-á fazer alguas considerações relativas à quantificação no que respeita à dose e aos efeitos provocados pela radiação absorvida pelos tecidos aproveitando para revisitar alguas questões relacionadas co a atenuação da radiação nos tecidos biológicos, fazendo uso das grandezas agora introduzidas. 4.1 Grandezas e unidades Seja a fluência de u feixe definida pelo núero de partículas, N, (incluindo fotões) por unidade de área perpendicular ao feixe, A: N Φ A Equação 1 Se o feixe for unifore, a sua fluência é independente da área ou do instante que se considere. No entanto, caso isto não aconteça, pode-se considerar a taxa de alteração da fluência, à qual se dá o noe de fluxo de fluência: Φ N φ = =, t At Equação 2 onde t é a grandeza tepo. Se o feixe for onocroático, a fluência energética, Ψ, será siplesente o produto da fluência, Φ, pela energia de cada partícula, E: NE Ψ = ΦE=. A Equação 3 E, do eso odo, se pode definir fluxo de energia, ao qual se dá tabé o noe de intensidade, e que é dado por: Ψ ΦE NE I = = t t At Equação 4 Caso o feixe contenha várias energias, a intensidade é, então, dada por: I Ψ t f ΦE i i = =, t Equação 5 onde f i é a fracção de partículas co energia E i. 40

2 Ebora estas quantidades seja relevantes para o estudo das radiações e dos seus efeitos no corpo huano, elas são difíceis de edir directaente. Por este otivo, define-se outras grandezas coo seja a exposição, a dose absorvida e o equivalente de dose absorvida. No entanto, eso o estabeleciento destas grandezas não é uito fácil, o que se reflecte na dificuldade de encontrar unidades adequadas para as edir. Historicaente, existe duas unidades distintas para cada ua delas: as unidades tradicionais e as do Sistea Internacional. No que respeita à exposição à radiação, adita-se, antes de ais, que praticaente toda a energia dos raios-x (ou raios γ) é utilizada para ionizar o eio. Se Q for a carga total criada por ionização quando u pequeno volue de ar de assa é sujeito a radiação, a exposição é definida coo: Q X Equação 6 Note-se que Q, sendo a carga total, conté a carga libertada tanto priaria coo secundariaente (eso que a ionização secundária tenha lugar fora do volue considerado). A unidade de exposição tradicional é o R (Röntgen) que é nuericaente equivalente a ua definição já e desuso: SEU (unidade electrostática) / c 3 de ar nas condições norais de pressão e teperatura. A sua conversão para unidades de SI é feita através da relação: 1R = 2.58 x 10 4 C/kg Equação 7 Esta grandeza é apenas aplicável a fotões γ ou raios-x co enos de 3 MeV, ua vez que para energias superiores é extreaente difícil deterinar o núero de pares electrão / ião que se fora secundariaente fora do volue considerado. Ua vez que para o ar, a energia édia necessária para produzir u par electrão / ião é ev, então, quando u quilograa de ar é exposto a 1 C / Kg, este absorve J de energia, ou, generalizando, a quantidade de energia absorvida por unidade de assa de ar é dada pela relação: E = 33.85X. Coo os efeitos quíicos e biológicos da exposição de u tecido à radiação depende da energia absorvida por esse tecido e não da energia absorvida pelo ar, a dose absorvida é definida através da razão: E ef Equação 8 E que E ef é a energia total que chega ao tecido diinuída de toda a energia que sai, ou seja, é toda a energia que efectivaente fica depositada no tecido. A sua unidade é o gray (e SI) 1. eve, de qualquer fora, enfatizar-se que, eso a grandeza dose absorvida, não engloba os efeitos biológicos e, por este otivo, passou a definir-se tabé outras grandezas que contabiliza estes efeitos. Assi, há a considerar a eficiência biológica relativa, que é definida coo a razão entre a dose de ua radiação de referência, necessária para produzir ua deterinada resposta (esterilidade, por exeplo) e a dose 1 Ua grandeza já e desuso de dose absorvida é o rad, sendo a correspondência para o gray: 1 rad = 10-2 J/kg ou Gy. 41

3 da radiação e questão para produzir a esa resposta. Esta grandeza pode ter diensões, quando é ultiplicada pela dose absorvida (ebora o noe da grandeza se antenha o eso). E uitas situações, a eficiência co que ua radiação particular provoca deterinado efeito quíico ou biológico varia co a transferência linear de energia 2 da radiação. E, portanto, para considerar esta questão existe a grandeza dose equivalente que é o produto da dose absorvida por u factor de qualidade, QF, que varia co a transferência linear de energia e que reflecte o facto de diferentes radiações iplicare diferentes eficiências: E QF Equação 9 A unidade de dose equivalente é o sievert (Sv) e SI 3. Se à equação Equação 9 for adicionado u factor relacionado co a não-uniforidade da distribuição da radiação no corpo, F, passa-se a ter: E QF F Equação 10 Realce-se o facto de poder ainda ser acrescentados outros factores, consoante as situações consideradas. 4.2 Atenuação da radiação nos tecidos huanos Regressando à questão das iagens radiológicas, noeadaente, no que toca à atenuação da radição-x, coece-se por classificar os tecidos e quatro tipos: gordura, úsculo (ou tecido ole, do qual se exclui a gordura), osso e cavidades co ar. As características destes tecidos que interessa para esta discussão estão suarizadas na Tabela 1. Material Nº atóico efectivo ensidade (g/c 3 ) ensidade electrónica (e - /Kg) Ar x x Água x Tecido ole x Gordura x Osso x Tabela 1 Alguas características iportantes na discussão da atenuação da radiação nos tecidos biológicos. U dos parâetros ais utilizados para quantificar a dose absorvida pelos diversos tecidos é o chaado factor-f. Coece-se por escrever a dose absorvida por u deterinado eio relativaente à do ar: eio = [( µ en) ] [( µ en ) ] ar ar Equação 11 eio 2 A transferência linear de energia é definida coo a energia édia perdida por unidade de copriento do cainho percorrido pela radiação incidente. 3 Existe, ua vez ais ua unidade que já não é habitualente usada: o re, cuja correspondência para o sievert é: 1 Sv = 100 re. 42

4 Onde [(µ en ) ] eio é o coeficiente de absorção energética do eio, para fotões co energias na gaa de interesse e analogaente [(µ en ) ] ar será o equivalente para o ar. Esta grandeza é definida co base no coeficiente de absorção de qualquer aterial, µ, que, por sua vez, foi já definido através da Erro! A orige da referência não foi encontrada.. Ou seja, o coeficiente de absorção energética, relaciona-se co este, através da expressão: µ µ = E a en hν. Equação 12 E que E a é a energia édia absorvida pelo aterial por cada fotão incidente e hν a energia de cada fotão. Ou seja, o coeficiente de absorção energética é igual ao produto do coeficiente de absorção pela fracção de energia que é realente absorvida pelo aterial. Então, tendo e conta que (dose absorvida) pode ser escrita e função da exposição, X: = f X Equação 13 Chaa-se factor-f à proporcionalidade entre a dose absorvida,, nu eio que esteja sujeito a ua exposição X. Ou seja, o gráfico do factor-f e função da energia dos fotões (Figura 1) perite copreender o contraste obtido para diferentes tecidos. Na verdade, prova-se, ateaticaente, que o factor-f relativo a u dado tecido é proporcional à razão entre a atenuação nesse tecido e a atenuação no ar e, portanto, apresenta-se coo ua edida da atenuação dos tecidos. Salvaguarde-se que o factor-f só deve ser considerado apenas para energias inferiores a 3MeV, visto que o conceito de exposição não é aplicável a fotões de energia ais elevada. Figura 1 Gráfico do factor f e função da energia dos fotões (adapt. W.R. Hendee, E.R. Ritenour, 1992). A prieira questão a observar neste gráfico é o facto de o contraste entre os tecidos ser anifestaente superior para energias ais baixas. 43

5 Tal coo já foi discutido nua secção anterior, os raios-x de energia inferior a 35 KeV interage co a atéria prioritariaente através do efeito fotoeléctrico, co ua probabilidade de interacção que varia entre Z 3 e Z 4. Ao observar a tabela anterior, verifica-se que a gordura apresenta u núero atóico efectivo que é enor do que os restantes tecidos, devido à alta concentração de átoos de hidrogénio (Z H = 1) e de carbono (Z C = 6), quando coparada co as concentrações destes átoos nos ossos e nos úsculos (que, ao sere fundaentalente proteicos, possue tabé azoto (Z N = 7), oxigénio (Z O = 8) e alguns iões). este odo, o factor-f da gordura é, para energias baixas, inferior ao dos outros tecidos. No extreo oposto, encontra-se os ossos, co ua atenuação uito elevada para baixas energias, porque possue ua percentage ais elevada de iões, o que lhes confere u núero atóico efectivo ais elevado. Para energias superiores, onde o efeito de Copton é priordial, sendo este directaente proporcional à densidade electrónica ássica, a gordura apresenta u factor-f ais elevado do que os outros tecidos, devido à elevada percentage de átoos de hidrogénio (a gordura te cerca de 11% de hidrogénio, 57% de carbono, 1% de átoos de azoto, 30% de oxigénio e enos de 1% de eleentos de traço co nº atóico elevado), o que iplica ua elevada densidade de electrões. Repare-se que, a este respeito, os átoos de hidrogénio apresenta ua densidade electrónica elevada (cerca de duas vezes superior à dos outros átoos), visto que não possue neutrões no seu núcleo. No que toca à construção de fantoas, o aterial que, habitualente é utilizado para odelar a gordura é o óleo ineral ou o polietileno, ua vez que são substâncias co u núero atóico efectivo, densidade ássica e densidade electrónica seelhantes à gordura. Quanto ao coportaento dos tecidos oles e dos fluidos do corpo no que respeita à atenuação dos raios-x, este é uito seelhante ao da água, ua vez que é o seu constituinte ais abundante. Aliás, tabé o tecido uscular te u coportaento uito seelhante ao da água, graças à proxiidade dos seus núeros atóicos efectivos e às suas densidades ássicas. Observe-se que devido à alta absorção dos tecidos ósseos para baixas energias, a dose absorvida pelos tecidos oles que estão atrás dos ossos, é enor. Por este otivo, os ossos funciona, uitas vezes, coo áscara dos tecidos oles. Este efeito é diinuído quando se utiliza raios-x de ais alta energia, ua vez que, para fotões de energia ais elevada, o factor-f dos ossos é seelhante ao dos tecidos oles e, portanto, quando se pretende obter inforação sobre tecidos que esteja naturalente tapados por ossos, utiliza-se raios-x de aior energia. Por outro lado, quando se pretende radiografar tecidos que tenha ua densidade ássica seelhante, as difira no núero atóico, é aconselhável utilizar energias ais baixas, ua vez que nestas circunstâncias, é o efeito fotoeléctrico que doina e este é, aioritariaente, governado pelo núero atóico da substância. Nas aografias, por exeplo, a energia dos fotões utilizados é baixa, para inorar os efeitos nocivos nos tecidos, porque esta é a elhor gaa de energias para detectar icrocalcificações que pode indiciar a presença de tuores aários e porque perite distinguir co elhor clareza a gordura do tecido glandular. Por fi, refira-se que existe agentes de contraste e radiografia que auenta localente o núero atóico, de odo que olhara o contraste. Para este efeito são utilizados eleentos coo o bário e o iodo. 44