GRANDEZAS E UNIDADES PARTE 2 PAULO R. COSTA

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1 GRANDEZAS E UNIDADES PARTE 2 PAULO R. COSTA

2 GRANDEZAS FÍSICAS: FLUÊNCIA, DOSE ABSORVIDA E KERMA

3 Dose absorvida i Energia depositada em uma única interação in out Q Definida no ponto de transferência Energia cedida (imparted) em um dado volume de matéria por um único evento inicial Energia média cedida (imparted) em um dado volume de matéria por vários eventos iniciais i i R Energia Radiante: energia das partículas (excluindo a massa de repouso) emitidas, transferidas ou recebidas. R R R R in nc out nc in c out c Q nc partículas não carregadas c partículas carregadas

4 Dose absorvida D d [Gy] = [J/kg] dm REPRESENTA A ENERGIA POR UNIDADE DE MASSA QUE É MANTIDA (RETIDA) NA MATÉRIA E QUE PODE PRODUZIR EFEITOS ATRIBUÍVEIS À RADIAÇÃO D dd dt d dt d dm

5 V T hn 1 T hn 4 hn 3 hn 2 Energia cedida Energia Transferida na 1ª. interação Energia transferida total hn tr t tr hn hn T hn 1 hn 2 0 hn T 3 T 1 hn 2 hn 3 hn 4 0 hn hn 4

6 t tr 01, 022MeV Q hn tr tr m0c 2m0c hn1 t tr 1 Q hn1 1, 022MeV T T 2 511keV V hn 1 T 1 T 2 511keV

7 Grandezas físicas Dose absorvida Medição da quantidade de energia depositada em um material D d dm d energia média depositada pela radiação ionizante em uma quantidade de matéria de massa dm num elemento de volume Unidade atual: Gray (Gy) 1Gy = 1J/kg Unidade antiga: rad 1rad = 10-2 J/kg = 10-2 Gy

8 Grandezas físicas Dose absorvida Energia absorvida por unidade de massa Definida para toda radiação ionizante (não somente para radiação eletromagnética) Definida para qualquer material Definida para qualquer geometria de irradiação Exemplos Radioterapia: D 2Gy/sessão Gy por tratamento Irradiação de alimentos: 10kGy < D < 20kGy Dose letal 50/30: 4Gy

9 Grandezas físicas Relação entre dose absorvida no ar e exposição D ar = energia média depositada pela radiação 1kg de ar D ar = WN p 1kg de ar Energia necessária para formar um par de íons no ar seco Nr de pares de ions Para elétrons ou fótons incidentes W = 33,97eV

10 Grandezas Físicas IONIZAÇÃO EQUIVALENTE Energia cinética inicial do i-ésimo elétron (ou pósitron) colocado em movimento por raios X ou g em dv W Número total de pares de íons produzidos no ar pelo i-ésimo elétron ou próton de energia T i T i N i 1 1 g i g i ENERGIA MÉDIA NECESSÁRIA PARA FORMAR UM PAR DE IONS EM UM GÁS Fração de T i que é gasta pela partícula em interações radiativas ao longo de seu caminho Fração do número total de pares de íons que são gerados por fótons resultantes de interações por perdas radiativas (principalmente bremsstrahlung) Fração de T i que é gasta pela partícula em interações colisionais Fração de pares de íons produzidos por Interações colisionais

11 Grandezas Físicas IONIZAÇÃO EQUIVALENTE NÃO LEVA EM CONSIDERAÇÃO A ENERGIA GASTA EM PERDAS RADIATIVAS NEM NAS IONIZAÇÕES PRODUZIDAS PELOS FÓTONS RESULTANTES PARA O AR SECO W T i N 33,97 i 1 1 g i g i ev par de ion ev par de ion J 33,97 C ou J C

12 EQUILÍBRIO DE PARTÍCULAS CARREGADAS D d quantidade dm de ionizações no meio Fótons ou nêutrons A B C D E F G R

13 Fótons ou nêutrons 1º. CASO: SEM ATENUAÇÃO PELO MEIO A B C D E F G Kerma 1º. Caso: SEM ATENUAÇÃO PELO MEIO Dose absorvida

14 Fótons ou nêutrons 1º. CASO: SEM ATENUAÇÃO PELO MEIO A B C D E F G 2º. Caso: COM ATENUAÇÃO PELO MEIO Kerma Dose absorvida

15 Grandezas físicas D ar = 33,97eVx1,6x10 19 JeV 1 x1,6125x10 15 pares de ions 1kg de ar D ar = 0,008764J 1kg de ar = 8,764mGy D ar [Gy] = 0,00876X[R]

16 D ar Gy = 0,00876X R = = 0, ,003249R = 28,5 μgy Fonte: Okuno;Yoshimura Física das radiações. 2010

17 Grandezas físicas D ar = μ ab ρ ar Ψ cm 2 g 1 [evcm 2 ] cm 2 kg 1 [Jcm 2 ] Gy

18 Grandezas físicas D meio = μ ab ρ meio Ψ D meio = μ ab D ar Gy = 0,00876 ρ meio D μ ar ab ρ f = ar μ ab μ ab ρ μ ab ρ ρ meio X R = 0,00876fX R μ ab ρ ar meio ar

19 Fonte: Okuno;Yoshimura Física das radiações. 2010

20 Grandezas físicas Dosimetria interna Incorporações por via Aérea radônio Alimentos iodo (tireoide), rádio e estrôncio (ossos), césio (corpo todo) Radiofármacos Não há como medir dose interna Calculada por modelos matemáticos Partículas alfa ou beta deposição total de energia Fótons uma fração escapa do corpo

21 ሶ ሶ Grandezas físicas Atividade incorporada Número de partículas emitidas com energia E i (J) por desintegração TAXA DE DOSE ABSORVIDA DOSE ABSORVIDA ACUMULADA λ ef = λ fisica + λ bio D = A σ i y i E i φ i m dd = D = ሶ 0 λ ef Massa do órgão ሶ D 0 e λ eft dt D = 1 e λ efτ Fração da energia emitida que é absorvida pelo órgão ሶ D 0 න 0 τ e λ eft dt D = ሶ 0 = A 0 σ i y i E i φ i λ ef λ ef m τ Atividade Incorporada em t = 0

22 KERMA IONIZAÇÃO E EXCITAÇÃO - K c K K K c r 511keV + 511keV - K r

23 KERMA Energia transferida tr Energia das partículas sem carga entrando em V nr R R in sc out sc Q Energia total derivada de massas de repouso dentro de V (me positivo e Em negativo) Energia transferida como energia cinética inicial para partículas carregadas Energia das partículas sem carga saindo de V, exceto aquelas geradas por perdas radiativas dentro de V [Gy] = [J/kg] K Valor esperado da energia transferida d tr e d tr dm dm VALOR ESPERADO DA ENERGIA CINÉTICA INICIAL TRANSFERIDA PARA PARTÍCULAS CARREGADAS POR UNIDADE DE MASSA, POR FÓTONS OU NEUTRONS INCLUINDO A ENERGIA GERADA POR PERDA RADIATIVA, MAS EXCLUINDOA ENERGIA TRANSFERIDA DE UMA PARTÍCULA CARREGADA PARA OUTRA

24 KERMA PODE TAMBÉM SER DEFINIDO PARA NÊUTRONS K tr E, Z Coeficiente de transferência de energia por unidade de massa K E max ( E) tr 0 E, Z de E max d( E) de tr 0 E, Z de tr ( E), Z K E max ( E) max 0 tr 0 E, Z E ( E) de de

25 KERMA Energia transferida total Energia emitida por perdas radiativas t tr nr r r R R R Q R in nc out nc nc tr nc K c t d tr dm VALOR ESPERADO DA ENERGIA CINÉTICA INICIAL TRANSFERIDA PARA PARTÍCULAS CARREGADAS POR UNIDADE DE MASSA, POR FÓTONS OU NEUTRONS, EXCLUINDO A ENERGIA GERADA POR PERDA RADIATIVA E A ENERGIA TRANSFERIDA DE UMA PARTÍCULA CARREGADA PARA OUTRA

26 KERMA K c ab E, Z Coeficiente de absorção de energia por unidade de massa K c E max ab ( E) 0 E, Z de ab E, Z tr ( 1 gmeio) E, Z K c (1 g ) K meio K Attix, F.H. Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry Energia 100 x ( tr ab )/ tr (MeV) Z = 6 Z = 29 Z = 82 0, ,0 0 1,1 4,8 10 3,5 13,3 26

27 Exposição RELACIONANDO EXPOSIÇÃO E KERMA X ab E, ar e W ar K c ar e W ar K c ar 33,97 C kg

28 Grandezas e unidades KERMA E DOSE ABSORVIDA KERMA DOSE ABSORVIDA Fonte: Johns,H.E.; Cunninghan, J.R. The Physics of Radiology Cap.5 e 6

29 Relação entre Kerma no ar e atividade de uma fonte AA. t d Qual o kerma no ar aqui? s 1 = [3600h 1 ] K= Γ AA. t d 2 Bq [h] m 2 Gy [m] 2 [Bq] 1 [h] 1 Constante da taxa de kerma no ar (existe tb a constante de taxa de exposição)

30 ato = 10-18

31 KERMA PODE TAMBÉM SER DEFINIDO PARA NÊUTRONS K tr E, Z Coeficiente de transferência de energia por unidade de massa K c ab E, Z Coeficiente de absorção de energia por unidade de massa ab E, Z tr ( 1 gmeio) E, Z K c (1 g ) K meio K

32 GRANDEZAS DE PROTEÇÃO RADIOLÓGICA

33 Grandezas e unidades Dose equivalente w R é o fator de peso da radiação R D T,R é a dose absorvida média no tecido T devido à radiação R Unidade atual: Sievert (Sv) 1 Sv = 1J/kg H T wr DT, R R

34 Fonte: Okuno;Yoshimura Física das radiações. 2010

35 Grandezas e unidades Detrimento A exposição de diferentes órgãos e tecidos do corpo à radiação ionizante resultam em diferentes probabilidades de dado e diferentes severidades. A combinação de probabilidades e severidades de danos é chamada detrimento.

36 Grandezas e unidades Fatores de peso para os tecidos Para refletir o detrimento combinado para os efeitos estocásticos devido a equivalentes de dose em todos os órgãos e tecidos do corpo, o equivalente de dose em cada órgão ou tecido é multiplicado por um fator de peso para o tecido, w T, e os resultados são somados para todo o corpo para obter-se a dose efetiva, E.

37 Grandezas e unidades Dose efetiva E w H T T T H T é a dose equivalente w T fator de peso para o tecido ou órgão T Grandeza utilizada para limitação de doses Corpo inteiro: efeitos estocásticos Cristalino, pele, extremidades: efeitos determinísticos Não valem para exposições médicas nem para radiação natural Unidade atual: Sievert (Sv) 1 Sv = 1J/kg

38 Fonte: Okuno;Yoshimura Física das radiações. 2010

39 Grandezas e unidades Dose efetiva comprometida H T (t) é a dose equivalente comprometida no tecido T w T fator de peso para o tecido ou órgão T t é o período de integração após incorporação de substância radioativa 50 anos para adultos 70 anos para crianças E ( t ) w T H T ( t ) T

40 Grandezas e unidades Cálculo de w R e w T Simuladores antropomórficos Medições Cálculos Método Monte Carlo

41 Grandezas e unidades Equivalente de dose efetiva coletiva (dose coletiva) Dose em toda uma população Somatório do produto da dose efetiva média (Ē i ) pelo número de indivíduos na população (P i ) sujeitos a esta dose média Exemplo (UK) Radiação de fundo Ec E i P i Dose efetiva média devido ao BG = 1,9 msv/ano População = 57 milhões Dose coletiva anual = 1,1 x 10 5 homem-sv Doses ocupacionais Dose efetiva média de trabalhadores em medicina = 0,7mSv/ano Número de trabalhadores = Dose coletiva anual = 27,3 homem-sv i

42 Grandezas e unidades Dose absorvida em um órgão Dose absorvida média em um tecido ou órgão específico do corpo humano (T) de massa m T : D T 1 m T m T Ddm Sendo D a dose absorvida no elemento de massa dm

43 GRANDEZAS OPERACIONAIS

44 Grandezas e unidades Transferência linear de energia (LET) Taxa na qual a radiação ionizante deposita sua energia ao longo de seu caminho Expresso em kev/m Partículas pesadas (prótons, neutrons, alfa) Alto LET Fótons, elétrons Baixo LET Definem os fatores de qualidade (Q(L)) para quantificação das doses

45 Grandezas e unidades Fator de qualidade (Q(L)) Dependência com o LET Q( L) 1 (L 10 kev/ m) 0,32 L - 2,2 (10 L 100 kev/ m) 300/ L (L 100keV/ m)

46 Grandezas e unidades

47 Grandezas e unidades Campos de radiação de referência (ICRU) Campo expandido Campo de radiação hipotético onde a fluência e suas distribuições energéticas e angulares têm o mesmo valor em todo o volume de interesse Campo expandido e alinhado Campo hipotético onde a fluência e sua distribuição de energia são as mesmas que no campo expandido, mas a fluência é unidirecional

48 Grandezas e unidades Esfera da ICRU Material Plástico equivalente ao tecido Densidade 1g/cm 3 76,2% de O, 11,1% de C, 10,1% de H e 2,6% de N 30 cm

49 Grandezas e unidades Grandezas operacionais Equivalentes de dose Medições realizadas com objetos simuladores e detectores calibrados Grandezas para monitoração de área Equivalente de dose ambiental H * (d) - definido em um campo expandido e alinhado - equivalente de dose que seria produzido em uma profundidade d dentro da esfera da ICRU - definida no raio oposto a direção do feixe - recomendado para radiações penetrantes (fótons E>20keV) Equivalente de dose direcional H (d,w) - similar a H * (d) porém para um campo numa direção especifica W

50 Grandezas e unidades Campo expandido e alinhado H * (d) Direção de referência Ponto de medição a uma profundidade d

51 Grandezas e unidades Campo expandido e alinhado H (Ω,d) Ω Direção de referência Ponto de medição a uma profundidade d

52 Grandezas e unidades Valores para d radiação pouco penetrante (fótons com E<20 kev e partículas carregadas) d = 0,07mm para a pele d = 3 mm para os olhos - radiação penetrante (fótons dom E > 20 kev) d = 10mm

53 Grandezas e unidades Grandezas para monitoração individual Equivalente de dose pessoal H p (d) equivalente de dose em um ponto a uma profundidade d do corpo no tecido mole Local onde o IOE utiliza o monitor individual (dosímetro) Em geral torax Integração em 1 mês Estimativa da dose efetiva

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55 Grandezas e unidades Bloco de 30cmX30cmX15cm Campo expandido e alinhado Direção de referência Dosímetro individual

56 Grandezas e unidades Outras grandezas apresentadas na portaria 453 Dose coletiva Dose efetiva total recebida por uma população ou grupo de pessoas, definida como o produto do número de indivíduos expostos a uma fonte de radiação ionizante pelo valor médio da distribuição de dose efetiva destes indivíduos (Sv-homem) Dose de entrada na pele (DEP) Dose absorvida no centro do feixe incidente na superfície do paciente submetido a um procedimento radiológico. Inclui o retro-espalhamento. Dose de extremidade Grandeza operacional para fins de monitoração individual, obtida em um monitor de extremidade, calibrado em termos de kerma no ar, utilizando-se o fator f = 1,14 Sv/Gy

57 Grandezas e unidades Dose individual (H x ) Grandeza operacional definida pela CNEN para monitoração individual externa a feixes de fótons, obtida multiplicando-se o valor determinado pelo dosímetro individual utilizado na superfície do tronco do indivíduo, calibrado em kerma no ar, utilizando-se o fator f = 1,14 Sv/Gy Dose externa Grandeza operacional para monitoração de um campo de raios-x definida como o valor determinado pelo monitor de área calibrado em kerma no ar, multiplicado por f = 1,14 Sv/Gy

58 Grandezas e unidades Outras grandezas dosimétricas usadas Dose glandular média (AGD) Usada em mamografia Produto dose-área (DAP) Usada em fluoroscopia Indice de dose em CT (CTDI) Usada em tomografia computadorizada

59 Fonte: Okuno;Yoshimura Física das radiações. 2010

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61 Resumo Normas de radioproteção Grandezas Definições básicas LET, exposição Físicas (ICRU) Fluência, kerma, dose absorvida De proteção (ICRP) Equivalente de dose, dose equivalente, dose efetiva, etc Operacionais (ICRU) Equivalente de dose ambiente, equivalente de dose direcional, equivalente de dose pessoal

62 Resumo dos processos de interação

63 Resumo dos processos de interação

64 coeficiente fórmula Coeficiente de atenuação mássico μ ρ = σ coe ρ + σ ρ + τ ρ + κ ρ Coeficiente de mássico transferência de energia μ tr ρ = μ E tr ρ hν μ ab ρ = (1 g) μ tr ρ Coeficiente mássico de absorção de energia μ en ρ = μ ab ρ = μ E ab ρ hν