Física das Radiações

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1 Física das Radiações O átomo é uma complexa combinação de componentes ainda menores. A bem da simplicidade, se constrói uma configuração esquemática para o átomo, chamado modelo. O modelo que geralmente pode ser usado para representar o átomo, é o sistema solar em miniatura. Essencialmente o átomo consiste de um núcleo (a semelhança do sol) bastante pequeno, com carga elétrica positiva, e onde está a maior parte da massa do átomo. Ao redor desse núcleo está uma configuração de partículas com carga elétrica negativa, denominada elétrons. O diâmetro do átomo é da ordem de cm, enquanto que o de seu núcleo é cerca de cm. Se um átomo fosse ampliado até atingir a proporção do Empire State Building, os elétrons e seu núcleo se apresentariam como corpos do tamanho de grãos de ervilha. O núcleo do átomo é formado de 2 componentes básico: Os prótons, que portam carga elétrica positiva, e os nêutrons, que não contêm carga elétrica, sendo portanto neutros. Nêutrons e prótons são chamados conjuntamente de Nucléolos. 1/37

2 Como o átomo é eletricamente neutro, o número de prótons no núcleo é igual ao número de elétrons que giram em torno do núcleo. No âmago do núcleo aparece um tipo de força inteiramente diferente, que mantém juntos prótons e nêutrons. São as chamadas forças nucleares, cuja natureza difere das familiares forças elétrica e gravitacional. O raio de ação das forças nucleares é pequeno (somente atuam dentro do núcleo). O próton ou o nêutron pesa aproximadamente vezes mais que o elétron. Isso justifica a afirmação que praticamente toda a massa do átomo está concentrada em seu núcleo. O núcleo e suas Radiações 2/37

3 Uma das primeiras descobertas após a identificação dos elétrons, foi a dos Raios-x por Roentgen em Essa tem sido considerada a pedra fundamental na estrada que leva a física de nossos dias. Roentgen observou a produção de um novo tipo de radiação quando um feixe de elétrons incidia num alvo sólido. Ao investigar suas propriedades, verificou que atravessava substâncias como vidro, papel e madeira, e chamou esses raios de raios-x. Raios-x produzem ionização dos gases que atravessam, apresentam trajetória retilínea, e não se desviam pela ação de campos elétrico e magnético, não sendo então constituídos por partículas carregadas. Eles sofrem reflexão, refração e difração, sendo isso prova convincente de que consistem de radiação eletromagnética como a luz, porém com comprimento de onda menor. Em 1896, o físico francês Henri Becquerel investigou o relacionamento entre raios X e o escurecimento de filmes fotográficos, através de materiais compostos de urânio. Uma parte desse sal de urânio foi colocada numa gaveta com placas fotográficas virgens. Após a remoção dos filmes, becquerel observou que eles tinham sido expostos, embora ainda estivessem embalados em papel à prova de luz. Ele então sugeriu que o urânio emitia uma energia, que após penetrar a camada de papel, ainda era capaz de escurecer as placas fotográficas. Ele se referiu a essa energia como radiação ativa. Em 1898, Marie Curie voltou sua atenção a esse novo fenômeno, e lançou o termo radioatividade para descrever essa forma de energia. Já em 1904, cerca de 20 elementos naturalmente radioativos eram conhecidos. Apesar de muitos pesquisadores terem estado envolvidos no processo de entendimento do fenômeno radioativo, as contribuições mais significativas durante os primeiros 30 anos do século 19 foram feitas por Ernest Rutherford e seus colaboradores. Esses experimentos descobriram que a radioatividade tem algumas propriedades interessantes: escurece filmes, ioniza gazes, produz cintilação (flashes de luz) em certos materiais, penetra na matéria, mata tecido vivo, libera grande quantidade de energia com pequena perda de massa, e não é afetada por alterações químicas e físicas no material que está emitindo. Esta última característica é de particular importância, já que se a radioatividade é suposta ser originada dentro do átomo, e se ela não é afetada por alterações químicas, então ela não deve ser associada aos elétrons, pois, estes estão envolvidos nas reações químicas. Isso 3/37

4 sugere que a radioatividade se origina no núcleo, e que deve ser possível à obtenção de informações sobre ele através de seu estudo. A análise da radioatividade começa com uma consideração sobre sua natureza. Ela é uma onda (como a luz) ou uma partícula? Tem carga elétrica ou não tem? A experiência que revela mais completamente a natureza da radioatividade é aquela em que a radiação é dirigida através de um campo elétrico produzido por duas placas paralelas carregadas. O resultado dessa experiência é surpreendente. Um único feixe de radiação é desdobrado em 3 pela ação do campo. A deflexão (desvio) em direção à placa carregada negativamente indica um feixe carregado positivamente, e a direção à placa positiva indica um feixe negativamente carregado. O feixe que não se desvia não tem carga. Desde que a natureza desses 3 feixes não era conhecida naquela época, eles foram simplesmente identificados como raios alfa (carga positiva), raios beta (carga negativa) e raios gama (carga nula). A importância dessa experiência é que ela revelou que a estrutura dos átomos podia ser alterada, e que alguns átomos encontrados na natureza, especialmente os mais pesados, possuíam núcleos instáveis Experiências posteriores revelaram que os raios gama são os mais penetrantes, enquanto os raios alfa são os de menor penetração. A natureza exata de cada um desses 3 tipos de radiação somente foi conhecida muitos anos depois, e o resultado obtido é visualizado abaixo em uma rápida amostra do poder de penetração desses raios. 4/37

5 Radiação Alfa A experiência que confirmou a identidade da partícula alfa, com um núcleo de hélio 2He4 (constituído de 2 prótons e 2 nêutrons) foi realizada por Sir James Dewar em 1908 e repetida por Rutherford e Royds em Essas 4 partículas estão fortemente ligadas entre si, de forma que a partícula a tem então uma massa igual a 4 vezes a massa do próton (ou vezes a massa do elétron), e carrega duas unidades de carga elétrica positiva. A emissão de partículas alfa é o único tipo de decaimento radioativo espontâneo que emite partículas pesadas, excetuando-se a fissão. Isso é verdade tanto para as espécies naturais como para as produzidas artificialmente. Os produtos do decaimento (núcleos filhos) de um núcleo obtidos por emissão de partículas alfa, podem ou não ser radioativos. Radiação Beta 5/37

6 A emissão de radiação beta é um processo mais comum entre os núcleos leves ou de massa intermediária, que possuem um excesso de nêutrons ou de prótons em relação à estrutura estável correspondente. Radiação beta e o termo usado para descrever elétrons de origem nuclear, carregados negativamente (e-), ou positivamente (e+). Radiação Gama A radiação gama pertence a uma classe conhecida como radiação eletromagnética. Este tipo de radiação consiste de quanta ou pacotes de energia transmitidos em forma de um movimento ondulatório. A radiação eletromagnética é uma modalidade de propagação de energia através do espaço, em que não há necessidade de um meio material. Outros membros bem conhecidos dessa classe são: as ondas de rádio, raios-x, e inclusive a luz visível. A diferença essencial entre a radiação gama e a radiação X esta na sua origem. Enquanto os raios gama resultam de mudanças no núcleo, os raios x são emitidos quando os elétrons atômicos sofrem uma mudança de orbital. A radiação eletromagnética pode ser representada como uma dupla vibração que compreende um campo magnético H e um campo elétrico E. Estas duas vibrações estão em fase, tem direções perpendiculares, e se propagam no vácuo com velocidade da luz segundo uma direção perpendicular ao plano. 6/37

7 Radiação "X" - Existe duas formas de raios-x, dependendo do tipo de interação entre elétrons e o alvo. 1) Radiação de freamento O processo envolve um elétron passando bem próximo a um núcleo do material alvo. A atração entre o elétron carregado negativamente e o núcleo positivo faz com que o elétron seja desviado de sua trajetória perdendo parte de sua energia. Esta energia cinética perdida é emitida na forma de um raios-x, que é conhecido como "bremsstrahlung"("braking radiation") ou radiação de freamento. Dependendo da distância entre a trajetória do elétron incidente e o núcleo, o elétron pode perder parte da ou até toda sua energia. Isto faz com que os raios-x de freamento tenham diferentes energias, desde valores baixos até a energia máxima que é igual à energia cinética do elétron incidente. Por exemplo, um elétron com energia de 70 kev pode produzir um raios-x de freamento com energia entre 0 e 70 kev. 7/37

8 2) Raios-X Característicos Esse processo envolve uma colisão entre o elétron incidente e um elétron orbital ligado ao átomo no material do alvo. O elétron incidente transfere energia suficiente ao elétron orbital para que seja ejetado de sua órbita, deixando um "buraco". Esta condição instável é imediatamente corrigida com a passagem de um elétron de uma órbita mais externa para este buraco. Esta passagem resulta numa diminuição da energia potencial do elétron, e o excesso de energia é emitido como raios-x. Este processo de "enchimento" pode ocorrer numa única onda eletromagnética emitida ou em transições múltiplas (emissão de vários raios-x de menor energia). Como os níveis de energia dos elétrons são únicos para cada elemento, os raios-x decorrentes deste processo também são únicos e, portanto, característicos de cada elemento (material). Daí o nome de raios-x característico. 8/37

9 Radiação eletromagnética (g ou x) A interação da radiação g ou x com a matéria é marcadamente diferente da que ocorre com partículas carregadas. A penetrabilidade dos raios g ou x é muito maior devido ao seu caráter ondulatório, e sua absorção depende do tipo de interação que provoca. Há vários processos que caracterizam a interação (absorção ou espalhamento) da radiação g ou x com a matéria. Esses processos dependem essencialmente da energia da radiação, e do meio material que ela atravessa. Os fótons não têm massa propriamente dita (massa de repouso nula) e não transportam carga elétrica, portanto produzem ionização somente indiretamente quando incidem sobre os átomos. Quando o fóton (g ou x) interage com a matéria, sua energia é transferida para esta por uma variedade de mecanismos alternativos, sendo que os 3 (efeitos secundários) mais importantes são: efeito fotoelétrico, Efeito Compton e Formação de Par. A) Efeito fotoelétrico O efeito fotoelétrico é caracterizado pela transferência total da energia da radiação gama ou x (que desaparece) a um único elétron orbital, que então é expulso (expelido) do átomo absorvedor (processo de ionização). 9/37

10 Nesse efeito, toda a energia do fóton incidente é transferida ao elétron, que então é expelido com energia cinética: T = hv - Be, sendo Be a energia de ligação do elétron ao seu orbital (energia que foi dissipada para desfazer a ligação do elétron ao átomo). Este elétron expelido do átomo (denominado fotoelétron, radiação secundária ou ainda emissão corpuscular associada), poderá perder a energia recebida do fóton, produzindo ionização em outros átomos A direção de saída do fotoelétron com relação à de incidência do fóton, varia com a energia deste. Assim, para altas energias (acima de 3 MeV), a probabilidade do fotoelétron ser ejetado para frente é bastante grande; para baixas energias (abaixo de 20 kev) a probabilidade de sair para o lado é máxima para q ~ 70. O efeito fotoelétrico é predominante em baixas energias e para elementos de elevado número atômico Z. O efeito fotoelétrico decresce rapidamente quando a energia aumenta (outros efeitos começam a se tornar predominantes), e é observado para energias tão baixas quanto à da luz visível. O efeito fotoelétrico é proporcional a Z5, e por esse motivo deve ser usada blindagem de chumbo para absorção de raios gama ou x de baixas energias. 10/37

11 b) Efeito Compton Quando a energia da Radiação gama ou x cresce, o espalhamento Compton torna-se mais freqüente que o efeito fotoelétrico. No efeito Compton, o foto incidente é espalhado por um elétron periférico, que recebe apenas parcialmente a energia do fóton incidente. O fóton espalhado terá uma energia menor e uma direção diferente da incidente. Dessa forma, a interação do fóton é descrita como um espalhamento por um elétron livre, inicialmente em repouso. O efeito Compton depende ainda da densidade do elemento (número de elétrons/cm³), e decresce em função da energia dos fótons, porém não tão rapidamente como no efeito fotoelétrico. Este é inversamente proporcional à energia do fóton, e proporcional ao número atômico Z do material absorvedor. c) Formação de Par Uma das formas mais importantes da radiação eletromagnética de alta energia ser absorvida é a produção de par. No entanto, a produção de par ocorre somente quando fótons de energia igual ou superiora 1,02 MeV passam próximos a núcleos de elevado número atômico. Nesse caso, a radiação gama ou x interage com o núcleo e desaparece, dando origem a um par elétron-pósitron. 11/37

12 Produção de Raios-X ou Raios Roentgen Em Novembro de 1895, Wilhelm Conrad Roentgen, fazendo experiências com raios catódicos (elétrons), notou um brilho em um cartão colocado a pouca distância do tubo. Notou ainda que o brilho persistia mesmo quando a ampola (tubo) era recoberta com papel preto e que a intensidade do brilho aumentava à medida que se aproximava o tubo do cartão. Este cartão possuía em sua superfície uma substância fosforescente (platinocianureto de bário). Roentgen atribuiu o aparecimento do brilho a uma radiação que saia da ampola e que também atravessava o papel preto. A esta radiação desconhecida, mas de existência comprovada, Roentgen deu o nome de raios-x, posteriormente conhecido também por raios Roentgen. O segundo passo de Roentgen, cujo resultado foi à visualização dos ossos da mão de sua mulher que serviu de cobaia. Roentgen fez uma série de observações acerca dos raios-x e concluiu que: causam fluorescência em certos sais metálicos; enegrecem placas fotográficas; são radiações do tipo eletromagnética, pois não sofrem desvio em campos elétricos ou magnéticos; são diferentes dos raios catódicos; tornam-se "duros" (mais penetrantes) após passarem por absorvedores; produzem radiações secundárias em todos os corpos que atravessam; propagam-se em linha reta (do ponto focal) para todas as direções; 12/37

13 transformam gases em condutores elétricos (ionização); atravessam o corpo tanto melhor quanto maior for a tensão no tubo (kv). As maquinas de Raios-X foram planejadas de modo que um grande número de elétrons é produzido e acelerado para atingirem um anteparo sólido (alvo) com alta energia cinética. No tubo de raios-os elétrons obtêm alta velocidade pela alta tensão aplicada entre o anodo e o catodo. Um aparelho operando a digamos 70 kv, quase todos os elétrons atingem o alvo com uma energia cinética de 70 kev, correspondendo a uma velocidade de aproximadamente metade da velocidade da luz no vácuo. Os elétrons que atingem o alvo (anodo) interagem com o mesmo transferindo suas energias cinéticas para os átomos do alvo. Estas interações ocorrem a pequenas profundidades de penetração dentro do alvo. Os elétrons interagem com qualquer elétron orbital ou núcleo dos átomos do anodo. As interações resultam na conversão de energia cinética em energia térmica (calor) e em energia eletromagnética (raios- X). Efeitos da interação elétron-alvo A maior parte da energia cinética dos elétrons, é convertida em calor através de múltiplas colisões com os elétrons dos átomos do alvo. 13/37

14 Após várias interações (ionizações), gerada uma cascata de elétrons de baixa energia. Estes elétrons não possuem energia suficiente para prosseguir ionizando os átomos do alvo mas conseguem excitar os elétrons das camadas mais externas, os quais retornam ao seu estado normal de energia emitindo radiação infravermelha. Cerca de 99% da energia cinética dos elétrons incidentes é transformada em calor e cerca de 1% produz radiação. A produção de calor do anodo no tubo de raios-x aumenta com o aumento da corrente (mas) no tubo, mas a eficiência na produção de raios-x independe da corrente no tubo, aumentando com a energia (kv) do elétron projétil. Para 60 kv, somente 0,5% da energia cinética do elétron é convertida em raios-x, enquanto para 20 MeV (de aceleradores lineares), 70% dessa energia produz raios-x. (Em radiologia diagnóstica > de 99% geram calor e menos de 1% Raios-X de freamento e característicos). Espectro de emissão do Raios-X O espectro de emissão é fundamental para descrever os processos de produção da imagem em um aparelho de raios-x. É obtido através de um gráfico da quantidade de fótons de determinada energia versus as diferentes energias. A energia máxima expressa em kev é igual em magnitude à voltagem de aceleração (kv), mas existem poucos fótons desta energia. A forma geral do espectro contínuo é a mesma para qualquer aparelho de raios-x. Por causa da auto absorção, o número de fótons de raios-x emitidos é muito pequeno para energias muito baixas, atingindo quase zero para energias abaixo de 5 kev. Os traços correspondem às radiações características que, para anodo de tungstênio, só aparecem nos espectros gerados com tensão acima de 70 kv. Fatores que modificam o espectro O espectro é modificado por três fatores: filtração, voltagem do tubo e tipo de suprimento de alta voltagem. Os dois últimos são os que mais influenciam os fótons de alta energia, que agem na formação da imagem radiográfica. A filtração, que afeta os fótons de baixa energia, não tem grande influência na imagem e sim na exposição do paciente. Se a energia média do feixe for aumentada por qualquer método, tornando o feixe mais penetrante, a dose total por paciente será reduzida. Filtração 14/37

15 A filtração total de um feixe de raios-x consiste na filtração inerente mais a filtração adicional. A filtração inerente é constituída pelo vidro do tubo de raios-x, o óleo isolante e o vidro da janela. O tubo de raios-x está contido em uma capa protetora (cabeçote) de chumbo que possui uma janela por onde sai o feixe útil de raios-x. A janela de raios-x convencional é geralmente de vidro e em casos especiais como mamografia, constituído se Berilo. A filtração adicional por sua vez é usada para completar a filtração inerente até ultrapassar a filtração mínima. No radiodiagnóstico, a filtração adicional é em geral feita por placas de alumínio. A filtração mínima recomendada pela Comissão Internacional de Proteção Radiológica, ICPR, é: Voltagem do tubo kv mm Al < 50 0, ,5 > 70 2,5 Mudando o potencial de aceleração do tubo, mudamos também o espectro do feixe. O aumento do kv implica no aumento do número de fótons de maior energia. Este aumento altera mais a imagem radiográfica do que a remoção dos fótons de baixa energia. Suprimento de alta voltagem Em todos os aparelhos de raios-x, a voltagem é aumentada por um transformador de linha volts para o kv desejado. A forma de onda é a mesma da linha de suprimento, mas muito aumentada em amplitude. O potencial elétrico é produzido por uma corrente alternada (AC), variando de 0 máximo 0 máximo 0. Existem vários tipos de circuitos utilizados na amplificação da voltagem, entre estes temos: Retificação de meia onda, retificação de onda completa, retificação trifásica e multi-pulsos. 15/37

16 No tipo mais simples de circuito, o tubo de raios-x é conectado aos terminais do secundário do transformador. Neste caso, o tubo é o retificador, uma vez que a corrente só pode fluir quando o alvo for positivo em relação ao filamento (negativo), isto é, durante a porção positiva do ciclo de AC. Durante o ciclo negativo não existem elétrons livres do alvo (que está agora carregado negativamente). Entretanto, em circunstâncias ocasionais de superaquecimento do anodo, poderiam ocorrer elétrons livres, que iriam do anodo ao catodo durante o ciclo negativo, danificando o tubo. Para resolver este problema, foram desenvolvidos circuitos de retificação que elimina os ciclos negativos. Um tipo eficiente de retificação inverte a polaridade do ciclo negativo possibilitando a produção de raios-x durante todo o ciclo. A utilização deste método, aplicado em um circuito trifásico possibilita a produção de elétrons quase monoenergético, dentro de uma pequena variação de kv. A tecnologia mais moderna com o uso de geradores multi-pulsos, possibilita uma fácil obtenção de um potencial de aceleração virtualmente constante. A forma de retificação modifica o espectro dos elétrons produzidos, e, portanto, modifica o espectro de raios-x produzidos, a taxa de aquecimento do anodo e o rendimento do tubo (taxa de produção de raios-x). 16/37

17 Corrente no tubo A variação da miliamperagem (ma) não tem nenhum efeito no espectro de raios-x. A combinação da miliamperagem com o tempo de exposição determina o número total de raios-x produzidos num dado kv. Por isso, desde que o produto mas seja mantido, não serão observadas diferenças na imagem radiográfica. Deve-se notar contudo que uma variação de corrente pode levar a uma variação da quilovoltagem do tubo, pois o gerador pode não ser capaz de corrigir a uma diminuição de voltagem de alimentação que ocorre em linhas elétricas mal distribuídas quando ocorre uma solicitação de maior carga. Qualidade do feixe de Raios-X A "capacidade de penetração" ou qualidade de um feixe de raios-x é descrita explicitamente pela sua distribuição espectral. Um conceito mais usual para descrever e medir a qualidade do feixe é a camada semiredutora (CSR, ou "Half Value Layer", HVL). O HVL é definido como a espessura de um material padrão necessário para reduzir o número de fótons transmitido à metade de seu número original. O material utilizado em radiologia diagnóstica é o alumínio. Um feixe de baixa energia será bastante reduzido por uma pequena filtração, tendo portanto baixo HVL. Sabe-se que o HVL não é uma quantidade constante para um dado feixe mas aumenta com a filtração. Logo, o segundo HVL será maior que o primeiro. Somente um feixe monoenergético terá sucessivos HVL s iguais. A filtração adicional remove seletivamente os fótons de energia mais baixa, resultando em melhor aproximação de um feixe monoenergético e a diferença entre sucessivas HVL s torna-se cada vez menor. O tubo de Raios-X diagnóstico É montado dentro de uma calota protetora de metal forrada com chumbo, projetada para evitar exposição à radiação fora do feixe útil (e choque elétrico). Os raios-x produzidos dentro do tubo, são emitidos em todas as direções (isotopicamente). Os raios-x utilizados em exames, são emitidos através de uma janela (feixe útil). Os raios-x que passam pela capa de proteção são chamados radiação de vazamento ou de fuga e podem causar exposição desnecessária tanto do paciente quanto do operador. O cabeçote protetor deve ser capaz de reduzir o nível de radiação para 17/37

18 menos de 1 mgy/h a um metro quando o aparelho é operado nas condições máximas. O Catodo É o pólo negativo do tubo de raios-x. Dividindo-se em duas partes: Filamento e capa focalizadora (cilindro de Welmelt). Filamento Tem forma de espiral, construído em tungstênio e medindo cerca de 2mm de diâmetro, e 1 ou 2 cm de comprimento. Através dele são emitidos os elétrons, quando uma corrente de aproximadamente 6 amperes atravessa o filamento. Este fenômeno se chama emissão termoiônica. A ionização nos átomos de tungstênio ocorre devida ao calor gerado e os elétrons são emitidos. O tungstênio é utilizado porque permite maior emissões termoiônicas que outros metais (temperatura de C). Normalmente os filamentos de tungstênio são acrescidos de 1 18/37

19 a 2% de tório, que aumenta eficientemente a emissão termoiônica e prolonga a vida útil do tubo. Capa Focalizadora Sabe-se que os elétrons são carregados negativamente havendo uma repulsão entre eles. Ao serem acelerados na direção do anodo, ocorre uma perda, devido à dispersão dos mesmos. Para evitar esse efeito, o filamento do catodo é envolvido por uma capa carregada negativamente, mantendo os elétrons unidos em volta do filamento e concentrando os elétrons emitidos em uma área menor do anodo. A eficiência da capa focalizadora é determinada por seu tamanho, sua carga, forma e posição do filamento dentro da capa focalizadora. Foco Duplo A maioria dos aparelhos de raios-x diagnóstico, possui dois filamentos focais, um pequeno e um grande. A escolha de um ou outro é feita no seletor de ma, no painel de controle. O foco menor abrange uma faixa de 0,3 a 1,0 mm e o foco maior, de 2,0 a 2,5 mm. Ambos os filamentos estão inseridos na capa focalizadora. O foco menor e associado ao menor filamento e o maior, ao outro. O foco menor ou foco fino, permite maior resolução da imagem, mas também, tem limitado a sua capacidade de carga ficando limitado a menores cargas de radiação. O foco maior ou foco grosso, permite maior carga, mas em compensação, tem uma imagem de menor resolução. Anodo 19/37

20 É o lado positivo do tubo de raios-x. Existem dois tipos de anodo: anodo fixo e anodo rotatório. O anodo recebe os elétrons emitidos pelo catodo. Além de ser um bom condutor elétrico, o anodo é também um bom condutor térmico. Quando os elétrons se chocam contra o anodo, mais de 95% de suas energias cinéticas são transformadas em calor. Este calor deve ser conduzido para fora rapidamente, para não derreter o anodo. O material mais usado no anodo é tungstênio em base de cobre por ser adequado na dissipação do calor. Anodo fixo É encontrado normalmente em tubos onde não é utilizada corrente alta, como aparelhos de raios- X dentários, unidades portáteis, unidades de radioterapia convencional e etc.. Anodo rotatório A maioria dos tubos de raios-x utiliza este, devido a sua capacidade de resistir a uma maior intensidade de corrente em tempo mais curto, e com isso, produzir feixes mais intensos. 20/37

21 Alvo É a área do anodo que recebe o impacto dos elétrons. No anodo fixo, o alvo é feito de uma liga de tungstênio incluída em um anodo de cobre. No anodo rotatório o alvo é um disco giratório. Este disco tem uma resistência grande à alta temperatura. A escolha do tungstênio deve-se à: Alto número atômico, acarretando grande eficiência na produção de raios-x. Condutividade térmica quase igual a do cobre, resultando em uma rápida dissipação do calor produzido. Ponto de fusão (3.380 C), superior à temperatura de bombardeamento de elétrons (2.000 C). Aquecimento do anodo O anodo rotatório permite uma corrente mais alta pois os elétrons encontram uma maior área de impacto. Com isso o calor resultante não fica concentrado apenas em um ponto como no anodo fixo. Fazendo a comparação de ambos, num tubo com foco de 1mm, temos: no anodo fixo a área de impacto (alvo) é de aproximadamente 1mm x 4mm = 4mm². No anodo rotatório de diâmetro de 7 cm, o raio de impacto é de aproximadamente 3 cm (30 mm). Sua área alvo total é aproximadamente 2 x p x 30mm x 4mm = 754mm². Portanto, o anodo rotatório permite o 21/37

22 uso de área uma centena de vezes maior que um anodo fixo, com mesmo tamanho de foco. A capacidade de carga é aumentada com o número de rotações do anodo. Normalmente a capacidade de rotação é de rotações por minuto. Existe anodo de tubos de maior capacidade que giram a rpm. Cuidados com o tubo O mecanismo do rotor de um tubo rotatório pode falhar ocasionalmente. Quando isso acontece, há um superaquecimento criando depressões no anodo (danos sérios) ou rachaduras causando danos irreversíveis ao tubo. Ao acionar o disparador de exposições de uma unidade radiográfica, deve-se esperar 1 a 2 segundos, antes da exposição, para que o rotor acelere e desenvolva o número de rotações por minuto desejadas. Quando a exposição é completada pode-se ouvir o rotor diminuir a rotação e parar em mais ou menos 1 minuto. O rotor e precisamente balanceado, existindo uma pequena fricção sem a qual o rotor levaria 10 a 20 minutos para parar, após o uso. Valores máximos de operação O operador do aparelho de raios-x deve estar atento à capacidade máxima de operação do tubo para não danificá-lo. Existem vários tipos 22/37

23 de tabelas que podem ser usadas para estabelecer os valores máximos de operação do tubo de raios-x, mas apenas três são mais discutidas: 1) curvas de rendimento máximo; 2) resfriamento do anodo; 3) resfriamento da calota do tubo. Sendo que estas três variáveis, são normalmente calculadas pelos fabricantes adotando o sistema de bloqueio de carga superior ao limite do tubo, mas, sendo de suma importância o conhecimento destas pelo operador, pois, em caso de falha do sistema, o próprio profissional poderá poupar o tubo das cargas excessivas. Variação do rendimento com os parâmetros de técnica A taxa de exposição em um feixe de raios-x varia aproximadamente com o quadrado da quilovoltagem. Isto significa que para duplicar a intensidade do feixe incidente, basta aumentar a quilovoltagem em cerca de 41% (Ö 2=1,141). Entretanto, esta formula é válida apenas para o feixe incidente. Por causa dos diferentes poderes de penetração de feixes de diferentes quilovoltagem, a intensidade do feixe que atinge o filme tem uma variação diferente com a quilovoltagem. Na prática, um aumento de 10 kv acarreta aproximadamente uma duplicação da taxa de exposição do feixe que atinge o filme (no espectro próximo a 70 kv). Variação com a filtração A introdução de um filtro em um feixe de raios-x produz dois efeitos distintos: remove preferencialmente a radiação inútil para a formação da imagem radiográfica (e danosa para o paciente), e aumenta o poder de 23/37

24 penetração do feixe. A filtração reduzirá a intensidade do feixe diferentemente, dependendo do valor da camada semi-redutora (HVL) de cada feixe. Sendo que, se o filtro for uma espessura igual ao HVL, a intensidade será a metade da inicial. Duplicando-se o valor do filtro para 2 HVL, a intensidade será reduzida aproximadamente quatro vezes. Variação com a distância Em um meio não absorvente, a intensidade da radiação varia inversamente com o quadrado da distância da fonte. Por exemplo: se a distância for reduzida por um fator 2, a intensidade aumentará de um fator 4; se a distância for aumentada de um fator 2, a intensidade será reduzida por um fator 4. Esta relação, contudo, só é válida para o feixe incidente. Quando tentamos estimar a variação da exposição na entrada da pele de um paciente, deve-se ter em mente que a exposição ao nível do receptor de imagem deve permanecer constante (o valor necessário para produzir a imagem). Como a espessura do paciente é constante, o tamanho do campo deve ser ajustado geometricamente em função da distância, e a dose na pele do paciente aumentará com a diminuição da distância. Em radiografia e fluoroscopia com equipamentos portáteis, à distância foco-pele não deve ser inferior a 30 cm, e, em aparelhos fixos, 45 cm. Para distância foco receptor de imagem menores que 100 cm, a qualidade da informação diagnóstica torna-se inferior à medida que a distância diminui. Adicionalmente, maiores distâncias foco - receptor tem vantagens clínicas. Exames de tórax, não devem ter distância foco - receptor inferior a 120 cm (distância padrão 180 cm). Interação dos Raios-X com a matéria Existem vários mecanismos pelos quais os raios-x interagem com a matéria. Na faixa de energia de 20 a 125 kv apenas dois processos são importantes: a absorção fotoelétrica e o espalhamento Compton. Dependendo da energia de um fóton de raios-x e do número atômico do objeto, o fóton pode interagir com o objeto tanto por efeito fotoelétrico como efeito Compton ou simplesmente atravessar o objeto sem interagir. Absorção fotoelétrica É a interação entre um fóton de raios-x incidente e um elétron ligado a um átomo do absorvedor na qual o fóton transfere toda sua energia ao elétron. O fóton portanto, deixará de existir. Parte da energia transferida é usada para vencer a força de ligação átomo - elétron e a restante, 24/37

25 aparece como energia cinética do elétron (agora chamado fotoelétron). O alcance dos fotoelétrons é de apenas uns poucos µm de modo que o efeito fotoelétrico é essencialmente um processo local, com toda energia do fóton sendo absorvida próximo ao ponto de interação. O átomo emitirá raios-x característico ao preencher a vaga deixada pelo elétron emitido. Para elementos dos tecidos biológicos, energia desses raios -X é muito baixa e, portanto, eles são também essencialmente absorvidos localmente. A probabilidade de interação fotoelétrica é altíssima para baixas energias e diminui dramaticamente com o aumento da carga. Espalhamento Compton Este efeito não é um processo local. Consiste de uma interação entre um fóton de raios-x e um elétron livre (ou fracamente ligado ao átomo, tais como os elétrons dos níveis mais externos). Portanto, um elétron Compton ejetado e o fóton são espalhados com uma energia igual à diferença entre a energia do fóton incidente e a energia adquirida pelo elétron. O fóton espalhado se move então em uma direção diferente da inicial, e portanto não contribui em nada para a formação da imagem (na realidade, ele tem uma contribuição negativa para a imagem). A probabilidade de interação Compton (por unidade de imagem) é essencialmente igual para todos os materiais. A absorção diferencial é feita com base na densidade. Na prática os processos comptons e fotoelétricos contribuem, ambos, para a produção da radiografia. A percentagem relativa ao total de interações que ocorrem por um processo ou outro depende da energia do fóton. Portanto, o contraste objeto depende da composição da massa efetiva e do número o atômico do objeto. A predominância de interações Compton ou Fotoelétrico causará menor ou maior contraste objeto, respectivamente, considerando que o objeto seja composto de vários materiais de diferentes números atômicos. Para um dado objeto, o contraste será maior para feixes de baixa energia (predominância do efeito fotoelétrico) e menor para energias mais altas (predominância do efeito Compton). Controle da radiação espalhada O feixe de radiação que emerge de um objeto irradiado é formado por radiação primária e radiação extraviada (secundária). A radiação primária é a radiação emitida através do vidro da janela de um tubo raios-x. Quando o feixe primário passa através do paciente, ele é bastante 25/37

26 atenuado à medida que os fótons vão interagindo com as estruturas internas, resultando em diferentes intensidades devido à absorção do feixe de raios-x. A radiação extraviada (secundária) é dividida em radiação de fuga e em radiação secundária (produzida pelo feixe primário). Radiação secundária é resultante das interações dos fótons primário com o objeto (paciente). Para se obter uma imagem, com máxima nitidez, é necessário reduzir a quantidade de radiação espalhada que alcança o filme. Nas energias usadas em diagnóstico, a radiação secundária consiste em raios-x característico, fotoelétrons, fótons espalhados e elétrons Compton. Como os elétrons têm um alcance muito pequeno no tecido, os fotoelétrons e os elétrons Compton são absorvidos localmente. Os raios- X característicos dos tecidos vivos são muito pouco energéticos para alcançar o filme. Somente quando o Iodo ou o Bário é utilizado como contraste é que estes raios-x característicos são importantes na radiografia diagnóstica, pois, estes têm energia aproximada de 33 a 37 kev e podem alcançar o filme produzindo efeito visível. Em geral, a única radiação secundária importante é proveniente do espalhamento Compton, porque os raios-x são espalhados em todas as direções e criam e criam um campo de radiação em torno do paciente. Devem-se tomar medidas preventivas para reduzir esse efeito nas radiografias e proteger pessoas cuja presença seja imprescindível durante um exame radiográfico. A radiação espalhada é um problema para a imagem radiográfica, pois diminui bastante o contraste, quando atinge o filme, agindo principalmente nas regiões mais claras do que nas 26/37

27 mais enegrecidas do filme. Assim sendo, detalhes situados nestas áreas claras ficam mascaradas. Três são os fatores que influenciam a intensidade relativa da radiação espalhada que chega ao filme. Dois deles podem ser controlados: a quilovoltagem e o tamanho do campo, sendo o terceiro fator a espessura do Paciente (ou objeto). Quilovoltagem Quando a energia é aumentada, o número relativo de fótons que sofrem interação Compton aumenta. Seria fácil dizer que toda radiografia deveria ser tirada usando-se o mínimo de quilovoltagem possível, desde que essa técnica resultasse em um mínimo de espalhamento e, em conseqüência, uma ótima qualidade de imagem. Além disso, a absorção fotoelétrica (responsável pelo contraste objeto) é dramaticamente aumentada com a redução da energia dos fótons. A situação não é tão simples assim. O aumento das interações fotoelétricas tem como conseqüência, o aumento da dose no paciente, uma pois reduz a quantidade de radiação que chega ao filme, normalmente compensada pelo aumento da corrente e/ou tempo de exposição. Quando uma técnica para uma radiografia de abdome não é suficiente para produzir uma boa imagem, tem se duas opções: ou aumenta-se a quilovoltagem ou a corrente. Aumentando-se a corrente, produz-se uma quantidade suficiente de fóton para obter-se uma imagem satisfatória no filme. Isto pode causar no entanto, uma dose suplementar considerável de radiação no paciente. Por outro lado, um aumento muito menor de kv produz um número suficiente de fótons incidentes sobre o filme, resultando numa dose baixa para o paciente. Infelizmente o aumento de kv, acarreta o aumento de radiação espalhada e a diminuição do contraste objeto. Para reduzir o nível de espalhamento de radiação que atinge o receptor de imagem são utilizadas várias técnicas, tais como o uso de colimadores e grades. Tamanho do campo de radiação É fato real que, a intensidade do feixe primário permanece constante para todos os tamanhos de campo determinado. Enquanto a intensidade do feixe espalhado, aumenta continuamente com o aumento do tamanho do campo (até atingir um platô, em torno de 1000 cm²). 27/37

28 Espessura do paciente A passagem de fótons por regiões mais espessas do corpo, resulta em um maior espalhamento do que em relação a regiões mais finas. Considerando-se a mesma combinação de tela-filme para ambas, a radiografia de extremidade será muito mais definida com a redução da quantidade de radiação espalhada. Expondo uma extremidade de 3 cm de espessura a 40 kv ocorre cerca de 50% de espalhamento de radiação. Expondo o abdome de 30 cm de espessura ocorrerá aproximadamente 100% de espalhamento. Métodos de redução da radiação espalhada Os métodos mais comuns de redução da radiação espalhada que alcança o filme são: redução da área irradiada (colimador); uso de grades; uso da técnica de afastamento do filme ("air gap"); uso da técnica de fenda móvel ("moving slit") Colimação A redução do tamanho do campo em radiologia deve ser o primeiro método de controle da radiação espalhada (Secundária). Este método 28/37

29 tem uma grande vantagem por diminuir a dose no paciente devido ao menor volume de tecido irradiado. Entretanto, em uma aparente contradição, a diminuição do espalhamento (tamanho de campo) implicará num aumento dos fatores da técnica radiográfica, para obtenção da mesma densidade ótica. Porém, este aumento da dose ainda é pequeno quando comparado com a sensível redução alcançada pela diminuição do volume de tecido irradiado. Grades O uso de grades é o meio mais efetivo de remover a radiação espalhada (secundária) de um campo de radiação antes que este chegue ao detector (filme). As grades são construídas de lâminas verticais alternadas de chumbo e material radiotransparente como plástico ou fibra. Essas lâminas são orientadas de modo que a radiação primária passe pelas lâminas de material radiotransparente fixadas entre as lâminas de chumbo, e as radiações espalhadas (secundárias) se choque nas lâminas de chumbo sendo absorvidas antes de chegar ao filme. Infelizmente, essa redução da radiação espalhada (secundária) sé é alcançada às custas de um aumento da dose no paciente. Algumas lâminas de chumbo absorvem alguns fótons primários e o material radiotransparente absorve parte da energia destes fótons. Assim sendo, a redução tanto da radiação primaria como da secundária para atingir a densidade ótica necessária requer um significativo aumento de exposição. 29/37

30 Técnica de "Air Gap" Consiste em afastar o filme do paciente criando um espaço de ar entre eles. Assim a radiação espalhada (secundária) que atingiria o filme na posição normal, não alcança o filme na posição afastada. Problemas desta técnica: 1) magnificação da imagem; 2) perda de detalhe causado pelo aumento da penumbra; 3)aumento da dose no paciente. 30/37

31 Nota: As grades Potter Bucky horizontal e vertical, utilizam as duas técnicas supracitadas, Grade e Air Gap. Como pode ser observado, da superfície da mesa e bucky vertical até o filme, pode ser medido de 7 a 10 cm. E a grade utilizada na mesa de exames, tem uma calibração de ponto focal/mesa de exames para 90 a 120 cm e a do Bucky mural, 120 a 180 cm. Portanto, duas técnicas supracitadas. Técnica do "moving Slit" É a técnica idealizada há muitos anos mas que só recentemente pode ser aplica na prática com o avanço tecnológico na produção de feixes de alta intensidade. Consiste na irradiação do paciente com um feixe de raios-x colimado com o formato de uma fenda que se move sincronizada com o tubo e com outra fenda localizada junto ao filme. Com isso elimina-se grande parte da radiação espalhada (secundária) pelo paciente, melhorando o contraste radiográfico, além de reduzir a dose no paciente. 31/37

32 Contraste radiográfico O contrate radiográfico é dado pela diferença em enegrecimento entre poções distintas da radiografia. Os fatores que afetam o contraste radiográfico são o nível de exposição e o processamento do filme. O contraste radiográfico é determinado pelo contraste objeto e pelo contraste do filme. Contraste objeto Quando um feixe de raios-x incide no objeto a ser radiografado ele é razoavelmente uniforme em número e em energia de fótons. Entretanto, ao sair do objeto a maioria dos fótons sofreram interações, ficando digamos, 5% sem serem afetados. Os fótons remanescentes, são então usados para formação da imagem radiográfica. É nesta fase que as informações a cerca do objeto a ser radiografado são geradas. Depois que o feixe deixa o objeto, diferentes artifícios podem ser feitos para aumentar a visualização da informação, ela própria, não pode ser aumentada. A informação radiográfica é um a reflexão da espessura, densidade, e número atômico do objeto que esta sendo radiografado. O corpo É constituído de músculos, gordura, ossos, cavidades e compartimentos contendo líquidos. Portanto, diferentes espessuras desses componentes em diferentes combinações (um componente sobrepondo-se 32/37

33 parcialmente sobre outro) resultarão em uma absorção diferencial ao longo do campo radiográfico. O feixe que sai do paciente possui variações de intensidade devido anatomia interna do corpo. Essas diferenças em intensidade são chamadas de contrate objeto. O contraste objeto depende do espectro do feixe incidente e, naturalmente, da espessura, da estrutura e composição do paciente (e da quantidade de radiação espalhada (secundária)). Alterações da técnica de exposição podem alterar o contraste objeto (e também a dose do paciente). Às vezes a dose do paciente pode ser grandemente alterada sem ter havido nenhuma contribuição para a qualidade da imagem radiográfica. Assim sendo, por exemplo, razoáveis variações no kv e na filtração podem diminuir de até um fator 5 a dose na pele do paciente, sem que a qualidade da radiografia seja alterada. É portanto de extrema importância o conhecimento desses parâmetros e seus efeitos no contraste e na dose do paciente. Conhecedor destes fatores os técnicos saberá então decidir a técnica apropriada para cada exame. Contraste do filme Refere-se ao gradiente da curva característica do filme e determina o contraste radiográfico final que será obtido para um dado contraste objeto. Um bom contraste objeto pode render um péssimo contraste radiográfico quando os níveis de exposição são inapropriados. Em geral, a magnitude do gradiente de curva característica do filme determina se o contraste objeto será aumentado ou diminuído no processo de conversão à imagem visível. Obtenção da imagem radiográfica um dos métodos mais usados na obtenção da imagem radiográfica é a combinação do filme com a tela intensificadora (ecran). A qualidade de uma imagem está ligada a vários parâmetros e processos: filme radiográfico, tela intensificadora, processamento do filme, técnica radiográfica utilizada (kv e mas) e tamanho do campo de irradiação. O filme É composto de uma base flexível plástica (200 µm) e duas camadas muito finas de (10 µm) de emulsão fotográfica coberta por uma capa protetora. A base do filme é composta geralmente de poliéster ou acetato de celulose para dar suporte as emulsões. A emulsão e composta de 33/37

34 cristais de produtos químicos fotograficamente ativos (Haletos de prata), suspensos em gelatina fotográfica. O haleto de prata é brometo de prata com 1 a 10% de iodeto de prata. Essa mistura resulta numa maior sensibilidade do que o brometo ou iodeto de prata sozinho. Os fótons de luz oriundos da tela intensificadora interagem com esses cristais e produzem uma imagem latente que após um processo de revelação adequado, torna-se visível. A gelatina permite a distribuição uniforme dos cristais de haleto de prata sem acúmulo na base do filme para uma resposta uniforme do seu campo e permite a penetração dos produtos químicos de revelação nos cristais para formação da imagem sem diminuir sua firmeza e constância. Os grãos de prata remanescentes devem ficar em suas posições relativas ou a imagem será destruída. Telas Intensificadoras (Screens ou Écrans) Composição das telas intensificadoras são constituídas de três camadas: material de base, camada fluorescente e camada protetora. A base das telas intensificadoras são constituídas de papelão ou de plástico e serve apenas como suporte do material fluorescente. Este material deve ser uniformemente radiotransparente e livre de qualquer metal ou outros materiais que possam formar alguma imagem adicional ao filme. A camada fluorescente 34/37

35 consiste de cristais de um composto fluorescente, suspensos num material de ligação flexível. O composto usado é em geral tungstênio de cálcio, embora sulfato de bário e estrôncio, sulfato de bário e chumbo, também seja usados. Mais recentemente, surgiram compostos de terrasraras usam gadolineo, lantânio e ítrio, oxibrometo de lantânio, fluoreto de bário ou várias outras composições destes elementos. Para aproveitar o máximo de luz possível, usam-se ainda sob a camada fluorescente, uma fina camada de dióxido de titânio. As telas intensificadoras que possuem materiais fosforescentes de alta eficiência, tais como os de terras raras, bário e tântalo, necessita menor quantidade de radiação que as telas convencionais para produzir radiografias com qualidade de imagem regular. A camada protetora Serve apenas para evitar a deteriorização da tela intensificadora causada por partículas de sujeira que possam estar presentes no filme ou ai penetrarem durante sua colocação ou retirada no chassi com a tela intensificadora. O princípio do funcionamento das telas intensificadoras baseia-se no princípio dos filmes para raios-x que, são fabricados com emulsão mais espessas de modo a absorver os fótons de raios-x. No entanto, menos de 5% dos fótons incidentes são absorvidos e contribuem para a formação da imagem. Para aumentar a eficiência da formação da imagem radiográfica, foram usados sais inorgânicos que emitem fótons de luz quando expostos a radiação. Colocando-se um 35/37

36 filme entre duas camadas deste material e expondo-o a um feixe de raios-x, uma grande parte do escurecimento do filme resultará em emissão luminosa do material fluorescente. Este aumento da eficiência luminosa do sistema de formação da imagem diminui a dose no paciente. Processamento Radiográfico A figura visível compõe-se de agregações de átomos de prata metálica, distribuído na emulsão de modo não uniforme, de acordo com a distribuição imagem objeto. As etapas básicas envolvidas na obtenção da imagem radiográfica são: formação da imagem latente, revelação e fixação da imagem no filme radiográfico. Imagem latente Quando o filme é exposto ao feixe de raios-x ou fótons de luz proveniente de telas intensificadoras, as interações com os cristais do haleto de prata liberam elétrons de alguns íons brometo carregado negativamente (Br-), causando a liberação do gás bromo (Br2). O elétron liberado vai combinar com alguns íons de prata carregados positivamente na rede cristalina, transformando-os em átomos neutros (prata metálica). A agregação de um pequeno núcleo de átomo de Ag tornará o cristal de brometo de prata sensível à revelação. Embora esta pequena mudança não possa ser detectada visualmente, já existe precursor da imagem latente. Processo de revelação Envolve a transformação química (ganho de elétrons) de todos os íons de prata do cristal exposto, transformando-os em prata metálica (Ag++ e 36/37

37 Ag-). Esta transformação química ocorre em todos os cristais, mas os átomos de prata da imagem latente agem como catalisadores da reação, fazendo com que os cristais expostos se transformem muito mais rapidamente que os não expostos. Como em qualquer reação química a extensão da reação de temperatura, concentração dos preparados químicos e tempo de revelação devem ser combinados de modo a ocorrer máxima conversão de cristais expostos, e mínima dos não expostos. Nestas condições o revelador ou o processador automático é considerado otimizado. Terminada a revelação, os cristais de haleto de prata remanescentes devem ser removidos para não serem vagarosamente reduzidos com o tempo e escurecer o filme. O processo de fixação Consiste na retirada dos cristais de prata, sendo que a prata revelada é removida de modo mais lento que a prata não revelada. Assim como na revelação, o tempo Também é importante, porém não tão crítico. Finalmente o filme deve ser lavado e secado. A lavagem remove todos os traços remanescentes dos produtos químicos utilizados, evitando a mudança de cor com o tempo, e a conseqüente degradação da qualidade da radiografia. Densidade ótica A imagem no filme radiográfico consiste de variações de prata metálica retida em regiões localizadas no filme. Através do negatoscópio, a quantidade de prata em uma área específica e a intensidade de luz incidente determinará o escurecimento do filme. Para quantificar esse conceito e remover o fator intensidade de luz, utiliza-se a densidade ótica (densidade fotográfica, densidade do filme ou densidade). Densidade ótica (DO) é a porção de luz incidente que passa através do filme. 37/37