Do Fotão à Imagem O que é preciso saber

Transcrição

1 Cadernos da ARP, Nº 7, pág. 5-8, Nov., 2008 Do Fotão à Imagem O que é preciso saber Carlos Marcelino Eng. Físico, Medical Consult, Lisboa A. Origem da Radiação Face aos aspectos da sua origem, a radiação é classificada como natural (radiação terrestre ou cósmica) ou artificial (derivada de processos realizados pelo Homem tais como exposições médicas, industriais ou nucleares), e a distinção entre radiação electromagnética e radiação corpuscular constitui uma das possibilidades para caracterizar a radiação, que também pode ser classificada em termos da sua origem, da carga eléctrica das suas partículas ou da capacidade para ionizar a matéria(fig.1). A capacidade para ionizar a matéria é a característica da radiação que mediante a energia das suas partículas permite distinguir entre radiação ionizante e não ionizante, sendo que existem duas categorias de radiações ionizantes directamente ionizante ou indirectamente ionizante dependendo da interacção da radiação com a matéria. Por outro lado, em termos da carga eléctrica das partículas a classificação é mais simples, distinguindo-se apenas entre radiação carregada e não carregada. B. Emissão de radiação e Interacção com a Matéria Sob o ponto de vista físico, as radiações ao interagirem com a matéria podem provocar excitação (atómica ou molecular), ionização, activação nuclear, ou podem converter parte, ou totalidade, da sua energia cinética em radiação de travagem ou noutro tipo de radiação. Fig. 2 - Espectro típico da emissão contínua de radiação de travagem ( bremsstrahlung ) produzida na interacção de electrões com a matéria. As radiações constituídas por partículas carregadas (a, b, ou electrões acelerados) ao interagir com a matéria, convertem parte, ou totalidade, da sua energia cinética em radiação electromagnética, denominada de raios X de travagem ou bremsstrahlung. Ocorre com maior probabilidade na interacção de electrões com átomos cujo número atómico seja elevado, em que a quantidade de energia convertida em raios X é imprevisível devido à alteração da sua trajectória, variando desde zero até um valor máximo que corresponde à energia cinética da partícula incidente. Além da emissão de radiação de travagem, a produção de pares e a radiação Fig. 1 - O espectro electromagnético. ARP 5

2 de aniquilação constituem outros processos pelos quais a radiação incidente na matéria ao interagir pode também transformar total ou parcialmente sua energia noutro tipo de radiação. O efeito fotoeléctrico é caracterizado pela interacção da radiação X ou g com um único electrão orbital fortemente ligado, transferindo o fotão toda sua energia ao electrão que é expelido com uma energia cinética E c. No efeito Compton o fotão interage directamente com um electrão orbital livre (hn >> E l ), cede parte da sua energia inicial hn para o electrão de recuo, e será disperso segundo um ângulo q como um fotão de energia hn. frequências e intensidades como resultado da interacção dos electrões acelerados com a matéria mediante o processo de Bremsstrahlung. Nas condições normais de exposição usadas em radiografia médica, a maior parte (99%) da energia cinética dos electrões perde-se sob a forma de calor e apenas 1% é convertida em raios X. O calor é um subproduto indesejável no processo, pelo que a ampola é projectada para maximizar a produção de raios X e dissipar o calor tão rápido quanto possível. Uma das formas predominantes de absorção da radiação electromagnética de alta energia é a produção de pares electrão - positrão. Este efeito ocorre quando fotões de energia superior a MeV atravessam a matéria, passando perto de núcleos com elevado Z, e interagem directamente com campo eléctrico nuclear forte. Nesta interacção a radiação desaparece e origina um par electrão - positrão (2m e c 2 = MeV). Fig. 4 - Esquema típico de um tubo de raios X. A qualidade e a quantidade de raios X produzidos são controladas através da selecção das grandezas tensão (kv), que representa o potencial para aumentar a energia dos electrões, corrente de filamento (ma), que traduz a quantidade de electrões que serão acelerados, e o tempo de exposição (s). Fig. 3 - Importância relativa dos diversos processos de interacção dos fotões com a matéria em função da energia hn e do número atómico Z. As interacções por efeito fotoeléctricos predominam em todos os materiais para energias suficientemente baixas, no entanto à medida que a energia cresce, a probabilidade de ocorrência do efeito fotoeléctrico diminui mais rapidamente que a probabilidade de ocorrência do efeito Compton, pelo que este acaba por se tornar o efeito predominante. Aumentando a energia dos fotões, ainda que o efeito Compton decresça em termos absolutos, continua a superiorizar-se em relação ao efeito fotoeléctrico. Quando a energia dos fotões atinge alguns MeV, o efeito da produção de pares torna-se o principal nas interacções dos fotões. C. Constituição da Ampola de Raios X e Parâmetros de Utilização Os raios X produzidos no interior das ampolas são constituídos por ondas electromagnéticas de várias O cátodo é o eléctrodo negativo do tubo. É constituído por duas partes principais: o filamento e o eléctrodo de focagem. A função básica do cátodo é emitir electrões a partir de um circuito eléctrico secundário, e focalizá-los em forma de um feixe bem definido direccionado para o ânodo. Existem dois tipos de ânodo: ânodo fixo e ânodo giratório. As ampolas de ânodo fixo são habitualmente utilizadas em equipamentos cuja corrente de filamento é baixa (tais como raios X dentário, raios X portátil, aceleradores lineares, raios X industrial, etc.). Por outro lado, as ampolas que possuem ânodos giratórios são usadas em equipamentos com corrente de filamento elevada, normalmente em radiodiagnóstico. O ânodo tem as seguintes finalidades: estabelecer a trajectória eléctrica, servir de suporte para o alvo e conduzir o calor produzido. O alvo é o local do ânodo que sofre o impacto dos electrões. O material do alvo deve ter as seguintes propriedades: elevado Z, boa condutividade térmica e elevado ponto de fusão. O ânodo e o cátodo ficam acondicionados no interior de um invólucro fechado (tubo). Além de desempenhar as 6 ARP

3 funções de isolador eléctrico e de suporte estrutural para o ânodo e cátodo, o sistema de encapsulamento serve para manter o vácuo no interior do tubo. A presença de ar dentro do tubo é indesejável, pois, além de interferir na produção de raios X, permitiria que electricidade percorresse o tubo, na forma de pequenos raios e centelhas, danificando o sistema. Ao seleccionar-se um tubo de raios X para uma determinada aplicação específica, a principal característica que deve ser observada é o tamanho do ponto focal. Tubos com pontos focais pequenos são os mais indicados quando é essencial gerar imagens de alta qualidade que permitem boa visibilidade de pequenos detalhes e também quando houver necessidade de menores quantidades de raios X. No entanto, um ponto focal grande pode resistir mais ao calor do que um ponto focal pequeno. Assim deve-se encontrar métodos para se obter um ponto focal que forneça uma imagem bem detalhada e com boa dissipação de calor. Estes métodos consistem na utilização do princípio de foco linear e rotação do ânodo. Existem dois tipos de factores que influenciam o espectro de raios X: a quantidade de radiação e a qualidade dessa mesma radiação. Entre os vários factores encontramos o número atómico Z do ânodo, a energia dos electrões, a corrente de filamento, o tempo de exposição, a forma de onda aplicada na alimentação do gerador e a filtração. Com o aumento da corrente eléctrica no filamento do cátodo, aumenta-se o fluxo de electrões que sai do filamento e incide sobre o ânodo e, portanto, mais raios X são gerados. Assim, a corrente de filamento controla a corrente entre o ânodo e o cátodo. A tensão aplicada estabelece a energia que os electrões terão ao alcançar o ânodo, e tem influência no número de fotões produzidos, uma vez que quanto maior o potencial de aceleração dos electrões tanto maior será o efeito de bremsstrahlung. Fig. 5 - Relação entre corrente do filamento e corrente de tubo em função da tensão aplicada. O material do alvo não influencia na forma do espectro contínuo, apenas na sua intensidade. Entre os modelos de equipamentos mais modernos de radiodiagnóstico, alguns possuem um dispositivo electrónico que controla o nível de exposição no receptor, cuja função é suspender a geração de raios X quando o receptor de imagens recebe uma determinada quantidade de exposição prédeterminada considerada ideal para um determinado exame. Os fotões com energia abaixo de 20 kev não interessam em radiodiagnóstico, pois têm capacidade de penetração muito baixa e não contribuem com informação sobre o paciente e aumentando unicamente a dose do paciente. Por isso existe a necessidade de filtragem desses raios X que não contribuem para a formação da imagem. O material geralmente utilizado para este propósito em radiodiagnóstico é o alumínio. D. Principais Grandezas Físicas e Dosimétricas A fluência F de partículas é o quociente dn da onde dn é o número de partículas incidentes sobre uma esfera de secção de área da, cuja unidade de medida é de m -2. O número de partículas N pode corresponder a partículas emitidas, transferidas ou recebidas. Outra grandeza como enorme relevância é a exposição X que é o quociente entre dq e dm, X dq dm em que dq é o valor absoluto da carga total de iões de um sinal eléctrico, quando todos os electrões (negativos e positivos) libertados pelos fotões no ar, numa massa dm, são completamente parados no ar. Devido à necessidade de conhecer perfeitamente a massa do volume de material irradiado e de recolher toda a carga do mesmo sinal num eléctrodo, a medição da Exposição apenas é exequível com uma câmara de ionização preenchida com ar. Isto significa que esta grandeza só pode ser definida para o ar e para fotões X ou g. As radiações a não conseguem penetrar na câmara para ionizar o ar, e as radiações b não permitem condições de homogeneidade ou equilíbrio electrónico na recolha dos electrões. Além disso, estas radiações significam electrões adicionais (carga) ou núcleos de hélio que podem capturar electrões do ar. A unidade especial de exposição, roentgen (R) está relacionada com a unidade do SI Coulomb /Quilograma (C.kg -1 ), por 4 1R CKg Outro efeito que resulta da interacção da radiação com a matéria é a transferência de energia, em que a relação entre a energia absorvida e a massa do volume de material atingido é a base da definição da grandeza dose absorvida (D). Entretanto, para especificar melhor as variações 1 ARP 7

4 espaciais e evitar a variação da quantidade de energia absorvida em diferentes pontos do volume do material, a dose absorvida é definida como uma função num ponto P, de interesse, D d dm onde de é a energia média depositada pela radiação no ponto P de interesse, num meio de massa dm. A unidade antiga de dose absorvida, o rad (radiation absorved dose), que em relação ao Gray equivale, 1Gy 100 rad O kerma (K) Kinectic Energy Relesead per unit of MAss é definido pela relação K detr dm (J Kg -1 = Gy) onde, de tr corresponde à soma de todas as energias cinéticas iniciais de todas as partículas carregadas libertadas por partículas neutras ou fotões, incidentes num material de massa dm. Como o kerma inclui a energia recebida pelas partículas carregadas, normalmente electrões de ionização, estes podem dissipá la nas colisões sucessivas com outros electrões, ou na produção de radiação de bremsstrahlung, desta forma K K C K R sendo K C, o kerma de colisão (quando a energia é dissipada localmente, por ionizações e/ou excitações), e K R, o kerma de radiação (quando a energia é dissipada longe da região de interesse, através dos raios X). 8 ARP

5 This document was created with Win2PDF available at The unregistered version of Win2PDF is for evaluation or non-commercial use only. This page will not be added after purchasing Win2PDF.