Radiografias: Princípios físicos e Instrumentação

Radiografias: Princípios físicos e Instrumentação Prof. Emery Lins emery.lins@ufabc.br Curso de Bioengenharia CECS, Universidade Federal do ABC

Radiografias: Princípios físicos Roteiro Definições e histórico Fundamentos físicos para geração dos Raios-X Instrumentação Formação de Imagens Mamografia Fluoroscopia Tomografia Computadorizada Fundamentos Instrumentação Aplicação

Radiografias Ref.: Biomedical Imaging, KM Mudry, R Plonsey & JD Bronzino, CRC Press, 2003. Introdution to Biomedical Imaging, A Webb, WILEY Inter-Science, 2003. Fundamentals of Medical Imaging, P Suetens, Cambridge University Press, 2002.

Definições e histórico Radiografia é o processo de formação de uma imagem médica baseada na transmissão de raios-x através do tecido-alvo Os raios-x são radiações eletromagnéticas de alta energia ( tipicamente entre décimos a centenas de KeV) originadas de interações eletrônicas. Devido à sua característica, os raios-x tem um alto poder de penetração nos tecidos biomédicos. Em termos de comprimento de onda, os raios-x variam entre 0.01 e 10 nanômetros, que equivalem a freqüências na ordem de 10 18 Hz. Os raios-x são subdivididos, de acordo com a energia do fóton, em raiosx moles (menos energéticos, 0.12 a 12 KeV) ou raios-x duros (mais energéticos, 12 a 120 KeV). Em geral, a energia dos raios-x utilizadas nas imagens médicas estão entre 5 e 120 KeV.

Fonte: Vo-Dihn, T. Biomedical Photonics Handbook, CRC Press, 2003

Definições e histórico Wilhelm Conrad Röntgen Data de Nascimento: 27/03/1845 Local: Lennep, na província do Reno, na atual Alemanha Estudou na Universidade de Utrech(1865), depois em Zurich, onde obteve o diploma de engenheiro em 1866 e doutorado em física em 1869. Faleceu em 10/02/1923

Definições e histórico Röntgen descobriu os raios-x em 8/11/1895, em Würzburg, na Bavária Em 1901, ele recebeu o primeiro Prêmio Nobel em física, por essa descoberta. Röntgen realizava experimentos em tubos de Crookes com materiais a base de bário próximo ao equipamento. Ele percebeu que os raios catódicos revelavam os filmes de bário e passou a colocar anteparos opacos entre o equipamento e o filme. O resultado foi que os anteparos atenuavam mas não eliminavam a revelação do filme, indicando que outras radiações estavam sendo empregadas.

Definições e histórico Aparato experimental de Roentgen (tubo de Crookes) Radiografia da mão de Anna Bertha Ludwig tomada o 22 Dec. de 1895.

Mas como os Raios-X são gerados?

Geração dos Raios-x Há dois tipos de Raios-x que podem ser criados por uma estrutura eletrônica: 1) Raios-x que resultam do processo de (des) aceleração de elétrons altamente energéticos (Raios-x contínuos, Bremsstrahlung). 2) Raios-x que resultam do processo de ajustes energéticos nas camadas eletrônicas dos átomos (Raios-x característicos). Porém há uma terceira forma de se obter um Raio-x: Raios-x que resultam do processo de espalhamento inelástico de outros Raios-x já existentes (Efeito Comptom).

Geração dos Raios-x - Bremsstrahlung Efeito de (des) aceleração de um elétron por núcleos com carga positiva alta. Na produção dos Raios-x os elétrons são desacelerados em uma curta distância (freados). Para isso os núcleos devem possuir alta carga positiva A perda de energia é alta devido à mudança na direção de propagação do elétron. Por efeitos relativísticos a energia é conservada com a emissão de fótons. Cerca de 1% dos fótons tem energia na ordem dos Raios-x, os demais estão na ordem de luz, infravermelho e calor.

Geração dos Raios-x - Bremsstrahlung Diâmetro do átomo 10-10 m Diâmetro do núcleo 10-14 m Razão volumétrica 1:10 12

Geração dos Raios-x - Bremsstrahlung A equação relativística da radiação de dipolo mostra que a sua variação angular depende da direção de aceleração. Com a desaceleração há emissão de fótons cada vez menos energéticos, porém com distribuição espectral contínua.

Geração dos Raios-x - Bremsstrahlung I(E) = k Z (E max -E) Eficiência = k E max Z Eficiência = k (kvp) Z

Geração dos Raios-x Raios-x característico Neste caso um elétron externo atinge outro elétron em uma camada próxima ao núcleo e remove esse elétron da nuvem. O espaço vazio na camada eletrônica será preenchido por outro elétron antes posicionado em uma camada menos energética. Para haver conservação da energia um fóton (Raios-x) é emitido.

Geração dos Raios-x Raios-x característico

Geração dos Raios-x Raios-x característico F = Q * E A energia de ligação (E l) que depende do Z e da camada eletrônica (El K > El L > El M >... ).

Geração dos Raios-x Raios-x característico F = Q * E

Geração dos Raios-x combinação dos efeitos

Geração dos Raios-x combinação dos efeitos O tungstênio tem as seguintes energias de ligação: K = 69 kev, L = 12 kev, M = 2 kev. Um elétron com 68 kev que incide num alvo de tungstênio poderia causar quais emissões dos fótons seguintes? 1. 66 kev Raio-X característico. 2. 57 kev bremsstrahlung. 3. 57 kev Raio-X característico. 4. 10 kev Raio-X característico. A. 1, 2, 3 e 4 B. 1, 3 C. 2, 4 D.4 somente M 67 kev 10 kev L 57 kev K -2 kev -12 kev -69 kev

Espalhamento dos Raios-x Efeito Compton

E qual é o equipamento para realizar uma radiografia?

A Fonte de Raios-X

A Fonte de Raios-X - O cátodo fornece elétrons ao sistema por efeito termiônico:

A Fonte de Raios-X - Uma alta corrente elétrica induz o filamento (tungstênio) a temperaturas acima de 2000 ⁰C. - Elétrons são fornecidos à vizinhança do cátodo e acelerados em direção ao ânodo pelo alto campo (15 a 150 kv) aplicado entre os terminais. - O choque de elétrons no ânodo induz e direciona a emissão de raios-x. - O rotor gira o ânodo para que a superfície deste tenha maior vida útil.

A Fonte de Raios-X - A emissão termiônica distribui os elétrons sobre a superfície do cátodo, e o alto campo aplicado induz um feixe eletrônico divergente. - Estruturas com simetria são utilizadas para minimizar a divergência do feixe de elétrons. - Porém a variação espacial do campo induz elétrons com acelerações diferentes que dão origem a raios-x com energia diferentes. f = F sen(θ)

A Fonte de Raios-X - O alvo do ânodo precisa ser composto por um metal com alto ponto de fusão, boa condutividade térmica e baixa pressão de vapor (estar ativo no vácuo). - O tamanho do alvo (F) em conjunto com a inclinação do ânodo (θ) determinam o tamanho efetivo do foco (f). f = F sen(θ)

A Fonte de Raios-X - A região da amostra irradiada pelos raios-x emitidos pelo ânodo é maior que o tamanho efetivo do foco, pois nem todos os raios-x serão emitidos com o mesmo ângulo (efeito Compton) - A região irradiada (RI) depende do ângulo de inclinação do ânodo (θ) e da sua distância ao paciente (d). - Os fótons de raios-x mais energéticos estão concentrados no foco efetivo f = F sen(θ) RI = 2d tan(θ)

A Fonte de Raios-X

A Fonte de Raios-X - Cátodo Fonte de elétrons: é o eletrodo negativo do tubo; É constituído pelo filamento no interior de uma capa focalizadora; Filamento: Fio em forma helicoidal com aproximadamente 0.2-2 mm de diâmetro e 1 cm de comprimento. Constituído por tungstênio (mais 1-2 % de Tório) para ter alto ponto de fusão (2200 a 3370 C) e evitar vaporização. A vaporização do filamento provoca o enegrecimento do tubo

A Fonte de Raios-X - Filamento Emite elétrons (e luz) ao ser aquecido pela sua resistência elétrica: efeito termiônico. A temperatura (corrente: 3 a 7 A) no filamento controla a quantidade de elétrons emitidos. A quantidade de elétrons é a corrente no tubo (ma). a) Odontológicos (7 a 10 ma). b) Outros (50 a 1000 ma). A queima do filamento é a causa mais provável de falha de um tubo de raios X.

A Fonte de Raios-X - Ânodo Ânodo: barra espessa de cobre com um alvo pequeno na sua extremidade Materiais mais comuns para o alvo: Tungstênio (Radiologia convencional) Molibdênio e Ródio (Mamografia) Eficiência de Conversão para Ânodos de Tungstênio: ~99% da energia cinética dos elétrons é convertida em calor ~1% da energia cinética dos elétrons é convertida em Raios-X Bremsstrahlung A eficiência de conversão depende do potencial aplicado ao tubo e do número atômico do material do alvo

A Fonte de Raios-X - Ânodo Os materiais usados como alvo em tubos de raios X para imagens médicas incluem: Tungstênio (W, Z=74), Molibdênio (Mo, Z=42) e Ródio (Rh, Z=45).

A Fonte de Raios-X

E como ocorre uma radiografia?

Fundamentos físicos para imagens

Fundamentos físicos para imagens As imagens por raios-x dependem da sua interação com a matéria, e no caso das imagens médicas, da interação com o tecido. A interação ocorre entre a radiação e a estrutura eletrônica das biomoléculas que constituem o tecido. De fato, quatro efeitos podem ocorrer: O espalhamento elástico do raio-x O espalhamento inelástico do raio-x (efeito Compton) A absorção dos fótons de raios-x A não-interação entre o fóton e a estrutura eletrônica