Radiologia Aspectos Técnicos. Física das Radiações

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1 Imagiologia - 3ª e 4ª aulas Radiologia Aspectos Técnicos Física das Radiações Joaquim Agostinho - Imagiologia 1 Alimentação de Corrente Uma corrente eléctrica é o movimento de electrões num condutor, por exemplo um fio O fluxo da corrente eléctrica o número de electrões que passam num ponto num segundo é medido em amperes Depende de dois factores: a pressão, ou voltagem, da corrente (medida em volts), e da resistência do condutor ao fluxo da electricidade (medida em ohms) A Lei de Ohm relaciona estes valores V = I x R Joaquim Agostinho - Imagiologia 2 IMAGIOLOGIA

2 Alimentação de Corrente O transformador do filamento reduz a voltagem da corrente alterna para cerca de 10 volts, regulado pelo controle de corrente do filamento (selector ma), que ajusta a resistência e assim o fluxo de corrente através do circuito de baixa voltagem, incluindo o filamento. Isto por sua vez regula a temperatura do filamento e em consequência o número de electrões emitidos Alta voltagem é necessária entre o ânodo e o cátodo para gerar raios-x. Um auto-transformador converte a voltagem primária da corrente alterna em voltagem secundária, a qual é regulada pelo selector de pico de kilovoltagem (selector kvp) Joaquim Agostinho - Imagiologia 3 IMAGIOLOGIA Alimentação de Corrente Este selector escolhe uma voltagem de diferentes níveis do autotransformador e aplica-a através do transformador de alta voltagem, conseguindo elevar a energia dos electrões que passam na ampola até 60 a 100 kev O tipo de circuito de alimentação de energia, em que uma corrente alterna de alta voltagem é aplicada directamente na ampola de raiosx, limita a produção de raios-x a metade do ciclo da corrente alterna e é chamado de auto-rectificado (ou half wave rectified ) Joaquim Agostinho - Imagiologia 4 2

3 Alimentação de Corrente Quase todos os aparelhos de raios-x dentários convencionais são auto-rectificados Uma ampola alimentada por uma fonte de potência auto-rectificada não pode trabalhar por longos períodos de tempo, sob pena de derreter o filamento, ou, eventualmente, danificar o invólucro de vidro Joaquim Agostinho - Imagiologia 5 IMAGIOLOGIA Temporizador Um temporizador faz parte do circuito de alta voltagem, de modo a controlar a duração da exposição de raios-x, controlando o período de tempo em que a alta voltagem é aplicada à ampola, e em consequência, o tempo durante o qual a corrente flui na ampola e os raios-x são produzidos Antes da alta voltagem ser aplicada, o filamento deve aquecido para assegurar uma emissão adequada de electrões Para minimizar a fusão do filamento, o circuito do temporizador envia primeiro, durante cerca de meio segundo, corrente através do filamento para o aquecer até à temperatura apropriada Joaquim Agostinho - Imagiologia 6 IMAGIOLOGIA

4 Especificações da Ampola Cada aparelho de raios-x tem especificações da ampola que descrevem o tempo de exposição máximo que a ampola pode ser submetida a carga sem risco de danificar o foco por sobreaquecimento Estas especificações descrevem, de forma gráfica, os intervalos de segurança máximos (segundos) que a ampola pode ser usada numa escala de voltagens (kvp) e valores de corrente do filamento (ma) Joaquim Agostinho - Imagiologia 7 IMAGIOLOGIA Especificações da Ampola O duty cicle indica-nos a frequência com que exposições sucessivas podem ser efectuadas A acumulação de calor no ânodo é medida em heat units (HU), e é definida pela seguinte equação: HU = kvp x ma x seg. As características de arrefecimento dos ânodos são descritas pelo número máximo de unidades de calor que pode armazenar sem dano, e da taxa de dissipação de calor, determinada pelas curvas de arrefecimento fornecidas pelo fabricante da ampola Joaquim Agostinho - Imagiologia 8 IMAGIOLOGIA

5 Resumo Para produzir raios-x é necessário ter uma fonte de electrões que choque contra um alvo com suficiente energia. Este é o processo físico em que a maior parte da energia do electrão se converte em calor e uma pequeníssima quantidade de energia se converte em raios X O diferente comprimento de onda determina a qualidade ou dureza dos raios-x. Quanto menor for o comprimento de onda, fala-se de radiação mais dura, que tem maior poder de penetração Joaquim Agostinho - Imagiologia 9 IMAGIOLOGIA Produção de Raios-X Os electrões que se deslocam do cátodo para o ânodo, convertem parte da sua energia cinética em fotões de raios-x, através da produção de bremsstrahlung e de radiação característica Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

6 Bremsstrahlung A radiação bremhstrahlung, a fonte primária dos fotões de raios-x com ponto de partida na ampola, é produzida pela súbita paragem ou abrandamento dos electrões de alta velocidade no alvo. ( bremsstrahlung significa radiação travada, em alemão) Quando os electrões do filamento embatem no alvo de tungsténio, são criados fotões de raios-x se os electrões atingem directamente um núcleo do alvo ou se a sua trajectória os faz passar perto de um núcleo Se um electrão de alta velocidade atinge directamente o núcleo de um átomo do alvo, toda a sua energia cinética é transformada num único fotão de raios-x Joaquim Agostinho - Imagiologia 11 Bremsstrahlung Joaquim Agostinho - Imagiologia 12 6

7 Bremsstrahlung A energia do fotão resultante é numéricamente igual á energia do electrão. Esta por sua vez é igual à kilovoltagem aplicada na ampola no momento da sua passagem No entanto, a maioria dos electrões de alta velocidade não atinge um núcleo, passando ao lado, perto ou longe, do mesmo Neste tipo de interacção, um electrão de alta velocidade, com carga negativa, é atraído para o núcleo, com carga positiva, e perde parte da sua velocidade Joaquim Agostinho - Imagiologia 13 Bremsstrahlung Esta desaceleração faz com que o electrão perca alguma da sua energia cinética, na forma de vários novos fotões Quanto mais perto o electrão de alta velocidade se aproximar do núcleo, maior é a atracção electrostática sobre o electrão, o efeito de travagem, e a energia dos fotões bremsstahlung resultantes As interacções bremsstahlung originam fotões de raios-x com um espectro contínuo de energia A energia de um feixe de raios-x pode ser descrita através da peak operating voltage (em kvp) Joaquim Agostinho - Imagiologia 14 7

8 Bremsstrahlung Joaquim Agostinho - Imagiologia 15 Bremsstrahlung Um aparelho de raios-x que trabalhe p.e. com uma voltagem máxima de volts (70 kvp), aplica uma voltagem variável de até 70 kvp, através da ampola Esta ampola produz então fotões de raios-x com energias variáveis até um máximo de volts (70 kvp) Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

9 Bremsstrahlung Joaquim Agostinho - Imagiologia 17 Bremsstrahlung O espectro contínuo de energia dos fotões deve-se a: 1. Variação contínua da diferença de voltagem entre o filamento e o alvo ( half wave rectification ) 2. Os electrões incidentes passarem a diferentes distâncias dos núcleos, sendo assim deflectidos em diversos graus 3. A maioria dos electrões participar em múltiplas interacções bremsstrahlung antes de perderem a sua energia cinética Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

10 Radiação Característica A radiação característica forma-se quando um electrão do filamento desloca um electrão de um nível de um átomo de tungsténio do alvo, ionizando o átomo Quando isto acontece, um electrão de um nível mais externo do átomo de tungsténio é rápidamente atraído para o vazio criado no nível interno deficitário É então emitido um fotão com energia equivalente à diferença na energia de ligação entre os dois níveis orbitais Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Radiação Característica Joaquim Agostinho - Imagiologia 20 10

11 Radiação Característica A radiação característica do nível K nos átomos de tungsténio ocorre apenas acima dos 70 kvp, (como discretos incrementos - ver gráfico), quando comparada com a radiação bremsstrahlung A energia dos fotões característicos é função dos níveis energéticos dos vários níveis dos electrões orbitais e, por conseguinte, característica dos átomos do alvo A radiação característica constitui uma pequena parte da radiação emitida por uma ampola de raios-x Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Controle do feixe raios-x O feixe de raios-x emitido por uma ampola pode ser modificado pela variação de determinados parâmetros, a saber: 1. Tempo de exposição (temporizador) 2. Corrente da ampola (ma) 3. Voltagem da ampola (kvp) 4. Filtração 5. Colimação 6. Distância foco - paciente Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

12 Tempo de exposição Quando se duplica o tempo de exposição, o número de fotões gerados em todas as energias do espectro de emissão de raios-x duplica, embora o intervalo de energia dos fotões permaneça inalterado Assim, a alteração do tempo de exposição apenas controla a quantidade de exposição (o número de fotões criados) Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Corrente da Ampola Á medida que se aumenta a miliamperagem (ma), mais energia é aplicado no filamento, que aquece e liberta mais electrões, os quais ao colidirem com o alvo produzem radiação Assim, a quantidade de radiação produzida pela ampola (i.e. o número de fotões que chega ao paciente e à película) é directamente proporcional à corrente (ma) da ampola e ao tempo que esta trabalha A quantidade de radiação produzida é expressa como o produto do tempo e da corrente da ampola. A quantidade de radiação permanece constante, independentemente de variações no tempo e na corrente, enquanto o seu produto permanecer constante Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

13 Voltagem da Ampola Á medida que se aumenta a voltagem (kvp), aumenta a diferença de potencial entre o ânodo e o cátodo, aumentando assim a energia da cada electrão aquando do embate destes no alvo Isto resulta num aumento da eficiência da conversão da energia dos electrões em fotões de raios-x, aumentando assim: o número de fotões criados a sua energia média a sua energia máxima Joaquim Agostinho - Imagiologia 25 Voltagem da Ampola O aumento do número de fotões produzido por unidade de tempo, quando se aumenta a kilovoltagem, resulta numa maior eficiência na produção de fotões bremsstrahlung, que ocorre quando maior quantidade de electrões de alta energia colide com o alvo A capacidade de penetrar a matéria dos fotões de raios-x depende da sua energia. Fotões de raios-x de alta energia têm uma maior probabilidade de penetrar a matéria, enquanto que fotões de relativa baixa energia têm maior probabilidade de serem absorvidos Assim, quando maior for a kvp e a energia média do feixe de raios-x, maior é a capacidade de penetração do feixe na matéria Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

14 Filtração Embora um feixe de raios-x consista num espectro de fotões de raiosx de diferentes energias, apenas os fotões com energia suficiente para penetrar através das estruturas anatómicas e atingir o receptor de imagem (geralmente película) são úteis para o diagnóstico radiológico Os fotões de baixa energia (comprimento de onda longo) contribuem para a exposição do paciente (e risco) mas não têm energia suficiente para atingir a película Assim, para reduzirmos a dose no paciente, os fotões menos penetrantes devem ser eliminados Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Filtração Joaquim Agostinho - Imagiologia 28 14

15 Filtração Este efeito é parcialmente conseguido com a colocação de um filtro de alumínio na trajectória do feixe de raios-x. O alumínio remove, preferencialmente, muitos dos fotões de menor energia Ao calcular a quantidade de filtração necessária para um determinado aparelho de raios-x, deve-se ter em consideração a kvp e a filtração inerente da ampola e seu revestimento A filtração inerente é devida aos materiais que os fotões de raios-x encontram no seu trajecto do alvo para o objecto a radiografar vidro, óleo de isolamento e o material de contenção do óleo Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Filtração A filtração inerente da maior parte dos aparelhos de raios-x varia entre 0,5 e 2 mm de alumínio A filtração total é a soma da filtração inerente com a filtração externa adicional, fornecida pela colocação de discos de alumínio entre o diafragma e a janela de vidro da ampola A filtração total no trajecto de um feixe de raios-x utilizado habitualmente em radiologia dentária deve ser igual ao equivalente de 1,5 mm de alumínio até 70 kvp, e 2,5 mm de alumínio para voltagens superiores Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

16 Colimação Um colimador é uma barreira metálica com uma abertura no meio, usada para reduzir o tamanho do feixe de raios-x, e em consequência o volume de tecido irradiado no paciente Os colimadores mais usados em dentistria são redondos ou rectangulares O feixe de raios-x dentário é geralmente colimado para um círculo de 7 cm de diâmetro Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Colimação Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

17 Colimação Um colimador redondo é uma placa espessa de material radiopaco (geralmente chumbo) com uma abertura circular por onde passa o feixe de raios-x da ampola Os colimadores rectangulares limitam ainda mais o tamanho do feixe, para pouco mais que o tamanho da película Alguns tipos de instrumentos de suporte das películas também fornecem colimação rectangular do feixe de raios-x Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Colimação O uso de colimação também melhora a qualidade da imagem Quando um feixe de raios-x é apontado a um paciente, os tecidos absorvem cerca de 90% dos fotões de raios-x, e os restantes 10% passam através do paciente e atingem a película. Muitos dos fotões absorvidos geram radiação dispersa dentro dos tecidos expostos por um processo chamado efeito de Compton. Estes fotões dispersos viajam em todas as direcções e alguns atingem a película, degradando a qualidade da imagem Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

18 Distância Foco - Paciente A intensidade de um feixe de raios-x num dado ponto, depende da distância do aparelho de medida ao alvo Para um dado feixe, a intensidade é inversamente proporcional ao quadrado da distância da fonte de radiação Este decréscimo de intensidade deve-se ao facto de o feixe de raios-x se alargar, à medida que se afasta do ponto de origem Assim, quando se altera a distância entre a ampola e o paciente, tal facto tem um efeito marcado na intensidade do feixe Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Distância Foco - Paciente Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

19 Interacção do Raio-X com a Matéria A intensidade de um feixe de raios-x é reduzida pela interacção com a matéria que encontra no seu trajecto. Esta atenuação resulta das interacções de fotões individuais do feixe com os átomos da matéria atravessada Os fotões de raios-x são absorvidos ou dispersos Na absorção, os fotões ionizam os átomos da matéria absorvente e convertem a sua energia em energia cinética dos electrões absorventes Na dispersão, os fotões são ejectados do feixe primário como resultado das interacções com os electrões orbitais dos átomos absorventes Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Interacção Raio-X Matéria Um feixe de raios-x dentário é submetido a três tipos de atenuação: Difusão coerente Absorção foto-eléctrica Difusão de Compton Joaquim Agostinho - Imagiologia 38 19

20 Interacção Raio-X - Matéria Joaquim Agostinho - Imagiologia 39 Difusão Coerente A difusão coerente (ou clássica, ou de Thompson) pode ocorrer quando um fotão incidente de baixa energia (menos de 10 kev) passa perto de um electrão periférico de um átomo (com baixa energia de ligação) O fotão incidente interage com o electrão tornando-o momentaneamente excitado na mesma frequência do fotão incidente. Este deixa então de existir. O electrão excitado volta logo em seguida ao seu estado basal e dá origem a um outro fotão de raio-x com a mesma frequência e energia do feixe incidente. Geralmente o fotão secundário apresenta uma trajectória angulada em relação á do fotão incidente, alterando a direcção do fotão incidente Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

21 Difusão Coerente Joaquim Agostinho - Imagiologia 41 Difusão Coerente Este tipo de interacção corresponde a apenas 8% do número total de interacções (por exposição) num exame dentário A difusão coerente contribui muito pouco para a velatura das películas porque a quantidade total de fotões dispersos é pequena e o seu nível de energia demasiado baixo para chegar a película Joaquim Agostinho - Imagiologia 42 21

22 Joaquim Agostinho - Imagiologia 43 Direcções de emissão da radiação dispersa Joaquim Agostinho - Imagiologia 44 22

23 Absorção Fotoeléctrica A absorção fotoeléctrica é extremamente importante no diagnóstico pela imagem, uma vez que cerca de 30% dos fotões absorvidos de um feixe de raios-x dentário, são-no pelo processo fotoeléctrico Este processo ocorre quando um fotão incidente colide com um electrão que integra um átomo do meio absorvente. Nessa altura o fotão incidente deixa de existir. O electrão é ejectado e torna-se um fotoelectrão A maioria das interacções fotoeléctricas ocorre no nível K porque a densidade da nuvem electrónica é maior nesta região e existe assim uma alta probabilidade de interacção Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Absorção Fotoeléctrica Um átomo que participe numa interacção fotoeléctrica fica ionizado devido à perca de um electrão. Esta falta de um electrão (geralmente no nível K) é imediatamente preenchida, geralmente por um electrão do nível L, com libertação de radiação característica Qualquer que seja a órbita do electrão de substituição, os fotões característicos gerados são de tão baixa energia que são absorvidos no paciente e não atingem a película Como consequência, toda a energia dos fotões incidentes que sofrem interacções fotoeléctricas é depositada no paciente Joaquim Agostinho - Imagiologia 46 23

24 Absorção Fotoeléctrica Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Absorção Fotoeléctrica Embora tal seja vantajoso para a produção de radiografias de alta qualidade, porque não há radiação difusa a velar a película, é potencialmente prejudicial para os pacientes, devido ao aumento de absorção de radiação A frequência da interacção fotoeléctrica é directamente proporcional à terceira potência do número atómico do absorvente. Assim, p.e. como o número atómico efectivo do osso compacto (Z=13,8) é maior do que o dos tecidos moles (Z=7,4), a probabilidade de um fotão ser absorvido por interacção fotoeléctrica no osso é cerca de 6,5 vezes maior que em igual espessura de tecidos moles Joaquim Agostinho - Imagiologia 48 24

25 Difusão de Compton A difusão de Compton ocorre quando um fotão interage com electrão de níveis orbitais exteriores, sendo que cerca de 62% dos fotões absorvidos de um feixe de raios-x dentário, o são por difusão de Compton Nesta interacção o fotão incidente colide com um electrão exterior, o qual recebe energia cinética e ressalta do ponto de impacto. A energia do fotão disperso é igual à energia do fotão incidente menos a soma da energia cinética adquirida pelo electrão que ressalta e da sua energia de ligação Isto resulta na perca de um electrão pelo átomo e sua ionização Joaquim Agostinho - Imagiologia 49 Difusão de Compton Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

26 Difusão de Compton Os fotões dispersos continuam os seus novos caminhos, causando outras ionizações. Do mesmo modo os electrões que ressaltam também perdem energia ionizando outros átomos A probabilidade de uma interacção de Compton é directamente proporcional à densidade dos electrões do absorvente. Como o número de electrões no osso é superior ao dos tecidos moles, a probabilidade de ocorrer difusão de Compton no osso é maior que nos tecidos moles Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Difusão de Compton Os fotões dispersos viajam em todas as direcções. No entanto, quanto maior é a energia do fotão incidente, maior é a probabilidade de que o ângulo de dispersão do fotão secundário seja pequeno e a sua direcção seja para a frente. Cerca de 30% dos fotões dispersos formados durante uma exposição radiográfica dentária atravessam a cabeça do paciente. Este facto é vantajoso para o paciente porque alguma da energia do feixe de raios-x incidente escapa dos tecidos, mas tem a desvantagem de causar um enegrecimento inespecífico da película, sem acrescentar informação útil Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

27 Absorção Diferencial Mais fotões num feixe de raios-x saem do paciente depois de atravessar tecidos moles, do que em tecidos duros. Em consequência, enquanto que o feixe incidente é espacialmente homogéneo, o feixe remanescente, que sai do paciente, é espacialmente heterogéneo. Quando atinge o receptor de imagem (geralmente película) isso resulta numa maior exposição da película atrás de tecidos moles do que de tecidos duros É esta exposição diferenciada da película que permite a uma radiografia revelar a morfologia do osso e dos tecidos moles Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Atenuação do Feixe Quando um feixe de raios-x atravessa a matéria, a sua intensidade é atenuada (vai-se reduzindo), resultado da perca de fotões individuais, principalmente através da absorção fotoeléctrica e da difusão de Compton A redução da intensidade do feixe é previsível porque depende das características físicas do feixe e do absorvente O HLV ( half value layer ) constitui uma medida da energia do feixe, ao descrever a espessura do absorvente que reduz a intensidade do feixe para metade do seu valor Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

28 Atenuação do Feixe Joaquim Agostinho - Imagiologia 55 Atenuação do Feixe A absorção do feixe depende primariamente da espessura e massa do absorvente e da energia do feixe de raios-x As camadas superficiais do absorvente tendem a remover os fotões de baixa energia e transmitir os de elevada energia. Assim, à medida que o feixe de raios-x atravessa a matéria, a intensidade do feixe diminui, mas a energia média do feixe resultante aumenta Um feixe de raios-x é cada vez menos absorvido por cada unidade de espessura sucessiva do absorvente Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA

29 Dosimetria Dosimetria consiste na determinação da quantidade da dose ou da exposição à radiação Dose é o termo utilizado para descrever a quantidade de energia absorvida por unidade de massa no local de interesse Exposição é a medição da quantidade de radiação baseada na sua capacidade de produzir ionização do ar, em condições padronizadas de temperatura e pressão, medindo-se em air kerma (kinetic energy released in matter) Joaquim Agostinho - Imagiologia IMAGIOLOGIA Dosimetria Joaquim Agostinho - Imagiologia 58 29

30 Dosimetria Kerma mede a energia cinética transferida dos fotões para os electrões, e é expressa em unidades de dose (Gray - Gy), onde 1 Gy corresponde a 1 J/Kg. Substituiu o Roentgen (R) A unidade de dose absorvida é o Gray (Gy), medindo a energia absorvida de qualquer tipo de radiação ionizante por unidade de massa de qualquer tipo de matéria. A unidade tradicional (ainda utilizada) era o Rad, que equivale à libertação de 100 erg/g de material sujeito a irradiação A unidade de dose equivalente (mesmo efeito biológico que a mesma dose equivalente de 200KeV) é o Sievert (Sv). Para a radiação padrão 1 Sv = 1 Gy Joaquim Agostinho - Imagiologia 59 Dosimetria A dose equivalente (H) é usada para comparar os efeitos biológicos de diferentes tipos de radiação num tecido ou orgão A dose efectiva (E) é usada para avaliar o risco no homem. A unidade de dose é o Sievert (Sv) A medição da radioactividade (A) descreve a taxa de desintegração de uma amostra de material radioactivo. A unidade de medida é o Becquerel (Bq), equivalendo a uma desintegração por segundo. A unidade tradicional é o Curie (Ci) Joaquim Agostinho - Imagiologia 60 30