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Proteção Radiológica 1 Índice Índice .............................................................................................. 1 Medicina Nuclear – Conceitos Iniciais............................................................... 2 Concluindo ................................................................................. 12 Proteção Radiológica ..................................................................................... 13 Efeitos Radiológicos/Interação com a Radiação ................................... 18 Concluindo ................................................................................. 20 Considerações Finais ..................................................................................... 20 Referências ................................................................................................... 21 2 Medicina Nuclear – Conceitos Iniciais Para iniciarmos nosso estudo, devemos relembrar alguns conceitos importantes utilizados em medicina nuclear e radiofarmácia. A medicina nuclear é uma especialidade médica que utiliza isótopos radioativos para finalidade diagnóstica e terapêutica. Já é de conhecimento que a matéria tem como constituição principal átomos e suas combinações1. Cada átomo é composto por um núcleo com carga positiva, contendo prótons e nêutrons, circundado por elétrons orbitais com carga elétrica negativa 1,2. O primeiro modelo atômico foi proposto por Dalton, que o definiu como partículas esféricas maciças, extremamente pequenas e indivisíveis3. Em 1898, Thomson definiu um novo modelo, denominado “pudim com passas”, no qual os elétrons carregados negativamente se localizavam uniformemente no interior de uma esfera de carga positiva, conforme demonstra figura abaixo3. FIGURA 1 Modelo atômico de Thomson “pudim de passas” Figura 1. Fonte: Adaptado de O experimento de Thomson com descargas elétricas. Disponível em: http://brasilescola.uol.com.br/quimica/o-experimento-thomson-com-descargas-eletricas.htm. Acesso em 22 mar. 2017. Através da proposta inicial de Thomson, de que o átomo é uma estrutura impenetrável, Rutherford, em seus estudos com partículas alfa e beta, apresentou um modelo experimental que contradisse o modelo existente, observando que partículas alfa incidiam em uma lâmina de platina, atravessando a lâmina3. http://brasilescola.uol.com.br/quimica/o-experimento-thomson-com-descargas-eletricas.htm 3 A figura abaixo representa o modelo desenvolvido, que pode ser comparado ao Sistema Solar: no centro, o núcleo com carga positiva, porém variável de acordo com o elemento químico e, ao redor, os elétrons com cargas semelhantes e de sinal oposto ao núcleo4. FIGURA 2 Modelo atômico proposto por Rutherford Figura 2. Fonte: Adaptado de O átomo de Rutherford. Disponível em: http://alunosonline.uol.com.br/quimica/o- atomo-rutherford.html Acesso em 22 mar. 2017. O próximo modelo, apresentado por Niels Böhr, define a teoria de que os elétrons se organizam em forma de camadas e giravam em orbitais estáveis que variam de acordo com a sua energia. Os elétrons são distribuídos em sete camadas (K, L, M, N, O, P e Q) e que sua energia aumenta conforme se afastam do núcleo. Além disso, concluiu-se que, ao liberar energia, o elétron atravessa para uma órbita mais energética. Porém, se receber energia, o elétron passa para uma órbita menos energética, formando fótons5. FIGURA 3 Modelo atômico de Niels Böhr Figura 3. Fonte: Adaptado de O átomo de Böhr. Disponível em: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/o- atomo-bohr.htm Acesso em 22 mar. 2017. http://alunosonline.uol.com.br/quimica/o-atomo-rutherford.html http://alunosonline.uol.com.br/quimica/o-atomo-rutherford.html http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/o-atomo-bohr.htm http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/o-atomo-bohr.htm 4 Levando em consideração este último modelo, podemos definir o átomo como um elemento constituído por um núcleo, onde se encontram sua massa e elétrons, partículas pequenas e de cargas negativas localizadas ao redor do núcleo. O núcleo é constituído de cargas positivas e neutras, denominadas prótons e nêutrons, respectivamente. Um mesmo elemento químico pode conter uma variação de número de nêutrons, o que resulta em um diferente número de massa. Com isso, podemos definir que átomos de um mesmo elemento químico, porém com massas diferentes, são denominados isótopos6. Já os isóbaros podem ser definidos como átomos com o mesmo número de massa (A), porém, com número atômico diferente. E os isótonos possuem o mesmo número de nêutrons, porém diferente número de prótons, ou seja, diferente número de massa. Os isótopos radioativos são moléculas atômicas instáveis, que possuem uma energia maior do que a quantidade necessária para a sobrevivência e necessitam eliminar o excesso de energia através da emissão nuclear ou emissão de partículas radioativas, denominadas emissões corpusculares e eletromagnéticas, conforme demonstra a figura a seguir1,7. FIGURA 4 Definição de isótopos radioativos e radioatividade Figura 4. Fonte: Adaptado de: http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa- aplicacoes.pdf Acesso em 22 mar. 2017. http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa-aplicacoes.pdf http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa-aplicacoes.pdf 5 Emissões eletromagnéticas são ondas que se propagam na velocidade da luz em forma de fótons, sem possuir carga e massa, como, por exemplo, a luz visível, radiação ultravioleta, raios X e a radiação gama (γ), medidas através da unidade elétron-volt (eV). Já as radiações corpusculares são partículas emitidas pelo núcleo com carga e massa variáveis, como as radiações alfa (α) e beta (β)1,7. A radiação alfa ocorre através da emissão de partículas de um núcleo contendo dois prótons e dois nêutrons com grande quantidade de energia e capacidade de ionização de gases. Seu decaimento ocorre principalmente em elementos de alto número atômico. São rapidamente freadas e com baixo alcance no ar1,2 conforme ilustra a Figura 5 a seguir: FIGURA 5 Radiação alfa (α) Figura 5. Fonte: Adaptado de: http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa- aplicacoes.pdf Acesso em: 22 mar. 2017. A radiação beta (β) possui elétrons de origem nuclear carregados positivamente (β+), denominados pósitrons, ou negativamente (β-), denominados negatrons1,2. A emissão de partículas beta negativa (β-) ocorre através de um mecanismo de compensação que se dá devido ao excesso de nêutrons e que se transforma em próton + elétron emitido no decaimento radioativo. A emissão de partículas beta positiva (β+) ou pósitrons ocorre através da transformação de próton em nêutron1,2. http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa-aplicacoes.pdf http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa-aplicacoes.pdf 6 FIGURA 6 Radiação beta (β) Figura 6. Fonte: Adaptado de: http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa- aplicacoes.pdf. Acesso em 22 mar. 2017. A radiação gama (γ) ocorre a partir da liberação de raios ou fótons gama originados em núcleos, que ainda possuem características de instáveis e excitados, emitindo radiação eletromagnética. Apresenta elevado alcance e para que seja blindado é necessário utilização de chumbo ou concreto, por exemplo. A radiação pode ser ilustrada tal como a figura abaixo: FIGURA 7 Radiação gama (γ) Figura 7. Legenda: Figura ilustrativa da radiação gama (γ). Adaptado de: http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa-aplicacoes.pdf. Acesso em22 mar. 2017. A tabela a seguir apresenta as principais diferenças entre as radiações alfa (α), beta (β) e gama (γ). http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa-aplicacoes.pdf http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa-aplicacoes.pdf http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa-aplicacoes.pdf 7 TABELA 1 Principais diferenças entre as radiações alfa (α), beta (β) e gama (γ) Tabela1. Legenda: Principais diferenças entre as radiações alfa (α), beta (β) e gama (γ). Fonte: Tabela produzida pelo autor. A ionização ocorre através da interação da radiação com a matéria e depende da energia envolvida e do seu poder de penetração. A partícula alfa tem baixo poder de penetração; porém, ocasiona destruição celular ao interagir com os tecidos devido ao seu alto poder de ionização. A partícula beta, por sua vez, tem maior poder de penetração que a alfa, possui um poder de ionização menor que o da partícula alfa, mas também promove grande destruição dos tecidos. Já a partícula gama tem elevado poder de penetração, interagindo com tecidos através dos efeitos fotoelétricos, compton ou por formação de pares2,7,8. No quadro abaixo, você encontra mais detalhes sobre esses efeitos. Quadro produzido pelo autor. Na Figura 8 você encontra o poder de penetração de cada emissão e os principais materiais utilizados como blindagem. 8 FIGURA 8 Poder de penetração das emissões alfa, beta e gama Figura 8. Fonte: Adaptado de: http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa- aplicacoes.pdf Acesso em 22 mar. 2017. Para que o isótopo radioativo se torne um isótopo estável, a radiação é liberada em forma de decaimento radioativo, determinado através da equação: N1=N0e-lt Onde: N1 = número de átomos final; N0 = número de átomos inicial; e = base de logaritmos naturais de Euler (2,718); l = constante de decaimento do radioisótopo; t = tempo2,7. http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa-aplicacoes.pdf http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostila-educativa-aplicacoes.pdf 9 O decaimento radioativo pode ocorrer por meio da: A unidade de medida da atividade é representada pela desintegração radioativa por unidade de tempo, definida por Becquerel (Bq), que corresponde a uma desintegração por segundos (dps); porém, a unidade mais usual é Curie (Ci), que corresponde a 3,7 x 1010 Bq2,7,8. A atividade de uma amostra de isótopo radioativo pode ser detectada através de uma câmara de ionização tipo poço, conhecida como calibrador de doses, conforme demonstra a figura abaixo2. FIGURA 9 Calibrador de doses Capintec® Figura 9. Fonte: Disponível em: http://www.capintec.com/product/crc-25r-dose-calibrator/ .Acesso em 22 mar. 2017. Uma das principais características do decaimento radioativo é a meia-vida (T1/2) do radioisótopo, que corresponde ao tempo necessário para que a atividade de uma amostra do radioisótopo se reduza à metade do valor inicial, determinado através da equação: http://www.capintec.com/product/crc-25r-dose-calibrator/ 10 A=Aoe-λt Onde: A = atividade final da amostra; A0 = atividade inicial da amostra; e = base de logaritmos naturais de Euler (2,718); λ = constante de decaimento do radioisótopo; t = tempo. Na medicina nuclear a aquisição das imagens dependem dos radioisótopos empregados e podem ser realizadas nas câmaras de cintilação ou gama câmaras ou na tomografia por emissão de pósitron - PET. A gama-câmara possui colimadores que direcionam os fótons de radiação, oriundos do paciente, ao cristal de iodeto ativado com tálio. No cristal ocorre a interação da radiação provocando a excitação das moléculas do cristal emitindo luz (cintilação). Esses fótons de luz são amplificados pelos tubos fotomultiplicadores que estão acoplados ao cristal e transformados em pulsos elétricos ou “pulsos Z” que serão submetidos ao analisador de pulso cuja função é identificar a faixa de energia do radioisótopo (fotopico) previamente selecionada para o estudo. 11 FIGURA 10 Composição de uma gama-câmara Figura 10. Fonte: Adaptado de Thrall JH, Ziessman HA. In: Medicina Nuclear. 2. ed. Rio de Janeiro:Guanabara Koogan; 2003. Essa técnica possibilita a obtenção de imagens estáticas de determinadas regiões, do corpo inteiro, dinâmicas e sincronizadas. Com o desenvolvimento da técnica, é possível obter imagens tomográficas através da tomografia por emissão de fóton único (SPECT)2. A detecção de fótons provenientes do pósitron pode ser realizada através da técnica de tomografia por emissão de pósitron (PET). O equipamento PET possui blocos de detectores dispostos em múltiplos anéis de composição diferentes dos utilizados no equipamento de SPECT devido à maior densidade. A imagem é obtida pela detecção "simultânea" dos dois fótons de 511 keV que são emitidos, em direções opostas, após a aniquilação do pósitron (β+). 12 FIGURA 11 Detecção dos fótons em um equipamento PET Figura 11. Legenda: Imagem ilustrativa da detecção dos fótons em múltiplos anéis do detector no equipamento PET. Fonte: Adaptado de Applied Radiology. Anderson Publishing; volume 37,n. 8; 2008. Concluindo Nesta seção, você pôde rever os principais conceitos que envolvem a radioatividade, bem como os tipos de desintegrações para que um isótopo radioativo se torne estável ao longo do tempo e como são realizados cálculos de decaimento radioativo e medições da atividade de amostras de radioisótopos através de equipamentos como, por exemplo, um calibrador de doses. O conhecimento dos tipos de emissões radioativas, como radiações alfa, beta e gama, bem como das técnicas de aquisição de imagem PET e SPECT, é de extrema importância para a base da radiofarmácia. 13 Proteção Radiológica Os conceitos de proteção radiológica em medicina nuclear são aplicados para garantir o uso seguro dos radioisótopos, garantindo a segurança de pacientes, funcionários e do público em geral, minimizando possíveis danos e efeitos na natureza. A Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) possui normas específicas de proteção radiológica, como a CNEN-NN-3.01 e a CNEN-NN-3.05, relacionadas aos requisitos básicos de proteção radiológica referentes à exposição à radiação ionizante e ao uso dos radioisótopos em medicina nuclear, respectivamente10,11. As normas publicadas pela CNEN seguem a filosofia denominada ALARA, que pode ser traduzida como “as low as reasonably achievable” ou “tão baixo quanto possivelmente exequível”10, que norteia diversas normas de radioproteção no mundo todo. Imagem esquemática da filosofia ALARA. Diversas unidades de medidas são utilizadas seguindo as normas de radioproteção, de acordo com a sua finalidade. A tabela a seguir apresenta as principais grandezas relacionadas à exposição à radiação8. http://appasp.cnen.gov.br/seguranca/normas/pdf/Nrm301.pdf http://appasp.cnen.gov.br/seguranca/normas/pdf/Nrm305.pdf 14 TABELA 2 Principais grandezas relacionadas à exposição à radiação Tabela2. Fonte: Tabela produzida pelo autor. Conforme recomendação da CNEN, todo serviço de medicina nuclear deve ter acesso restrito e possuir um supervisor de proteção radiológica, e seus funcionários devem possuir treinamentos específicos. Além disso, é obrigatório o uso de dosímetro TLD individual para monitoramento mensal da exposição à radiação. A norma CNEN-NN-3.01 estabelece limites mensais e anuais de dose equivalente do profissional da saúde ocupacionalmente exposto, bem como do público em geral para garantir a segurança de todos. Confira na tabela abaixo os limites mensais e anuais de segurança: 15 TABELA 3 Principaisgrandezas relacionadas à exposição à radiação *Média ponderada de cinco anos consecutivos, sem exceder 50mSv ao ano. Legenda: Limites de dose efetiva e equivalente assegurada para funcionários e público em geral. Fonte: Adaptado de Comissão Nacional de Energia Nuclear – CNEN 3.01-2013. Além disso, após a manipulação de radioisótopos, todos os profissionais devem ser monitorados para verificação de possíveis contaminações para registro obrigatório. A fim de minimizar a exposição e garantir a segurança dos funcionários, são utilizadas medidas básicas que também podem ser conhecidas através do fundamento de proteção radiológica: distância – tempo – blindagem. Utilize a interação para conhecer detalhadamente cada fundamento. Distância A distância é diretamente proporcional à intensidade do feixe, ou seja, quanto maior a distância, menor é a intensidade do feixe, sendo que a intensidade da radiação é proporcional ao inverso do quadrado da distância entre o ponto e a fonte. Tempo O tempo é o principal componente na redução da exposição, relacionado ao tempo de permanência perto de uma fonte radioativa ou do paciente. 16 Blindagem No caso de isótopos radioativos utilizados na medicina nuclear, as blindagens serão adequadas à energia e a característica da emissão radioativa. Normalmente, para a radiação gama, utilizamos materiais de alta densidade com diferentes espessuras como, por exemplo, o chumbo, tungstênio, concreto e barita. Para isótopos radioativos com uma faixa de energia maior, como, por exemplo, o pósitron com energia de 511keV, o chumbo não é suficiente e deve ser substituído por tungstênio, que possui uma densidade maior e uma blindagem mais efetiva.8 Um outro exemplo de adequação da blindagem ao tipo de emissão radioativa, é a utilização do acrílico como blindagem para o radioisótopo Ítrio-90, que é um emissor de partículas β-. FIGURA 12 Rejeitos radioativos do setor de Radiofarmácia do HIAE Fonte: Acervo de fotos da autora. 17 A segregação através da meia-vida garante que os rejeitos sejam liberados corretamente para descarte no lixo comum após seu decaimento, o que minimiza o acúmulo de rejeitos radioativos. Por exemplo, isótopos radioativos com meia-vida de 2 horas devem ser descartados em rejeitos diferentes daqueles com meias-vidas mais longas. O armazenamento durante o seu decaimento deve ser em aparatos blindados de chumbo ou concreto, denominados cofres, com espessuras adequadas de acordo com o isótopo radioativo armazenado10. Ao manipular um isótopo radioativo, deve-se levar em conta a possibilidade de ocorrência de contaminações de mãos e superfícies, além de considerar que o paciente também é uma possível fonte de contaminação em alguns casos, ocasionando patologias como incontinência urinária, por exemplo. Ao ser notificada uma ocorrência de acidente com isótopos radioativos no serviço de medicina nuclear, deve-se inicialmente confirmar a contaminação com um detector Geiger Muller e sonda pancake, em locais onde a comparação das contagens referentes a radiação de fundo (BG) com a superfície avaliada apresentar valores de contagens acima de 300 contagens por minuto (cpm) a cada 100cm². Em casos de contaminação corporal, recomenda-se a lavagem da área contaminada com água e sabão neutro e nova monitoração para verificar a diminuição das contagens. O processo deve ser realizado até que o valor detectado na sonda seja menor que 300cpm, quando comparado ao BG. Em relação a superfícies, deve-se remover todo o líquido derramado através do método a seco com papel absorvente. Em seguida, monitorar a superfície e realizar uma remoção de contaminação persistente através de método semiúmido com produto descontaminante específico. Ao final, monitorar novamente e repetir o processo enquanto houver transferência de contaminação para o papel de limpeza. Caso a medida seja superior a 300cpm, em relação ao BG, e não houver mais transferência para o papel de limpeza, o ambiente deve ser monitorado pelo supervisor de radioproteção para tomar as medidas cabíveis. Além disso, o supervisor deve registrar a ocorrência para devidos fins. 18 Como citado, utilizam-se um detector Geiger Müller, conforme representado na Figura 13, e um contador de superfície que detecta a presença de radiação ionizante na superfície, resultando em uma contagem do número de emissões detectadas2. FIGURA 13 Detector Geiger-Muller Figura 13. Fonte: HIAE. Efeitos Radiológicos/Interação com a Radiação Ao falar de interação da radiação ionizante com a matéria e radioproteção, devemos ter o conhecimento necessário a respeito das consequências dessa interação da radiação. A perda da identidade química é relacionada a uma consequência química da interação com a radiação ionizante. Na tentativa de estabelecer sua estabilidade, os isótopos instáveis podem perder sua identidade química devido ao rearranjo de moléculas, comprometendo toda sua estrutura12. Já as consequências biológicas podem ocorrer devido à transformação de uma molécula irradiada, atuando em sua composição e desempenho12, conforme demonstra o infográfico a seguir: 19 Imagem esquemática demonstrando a transformação de uma molécula irradiada. A avaliação do efeito da radiação ionizante no indivíduo depende de diversos fatores, incluindo a predisposição do próprio indivíduo, que podem resultar na mutação genética e até levar ao câncer12. Considerando danos causados na fertilidade das mulheres, na fase considerada de intensa proliferação germinativa pode haver perda de fertilidade e, dependendo da taxa de exposição, mutações, capazes de levar a um desenvolvimento insatisfatório. Em relação aos homens, a produção de espermatozoides é extremamente vulnerável à exposição à radiação, porém com recuperação das células e baixa incidência de infertilidade. Na interação da radiação com o organismo, podemos citar os efeitos estocásticos e determinísticos: • Efeitos estocásticos são aqueles que podem causar sintomas e efeitos hereditários devido ao dano no DNA. Não apresentam limiar de dose e são acumulativos, sendo necessários a utilização das técnicas de proteção radiológica e o princípio ALARA para minimizar a probabilidade de ocorrência13. • Os efeitos determinísticos ocasionam perda ou destruição celular, podendo ser reversíveis através do aumento da taxa de recuperação celular. Apresentam um limiar de dose, com efeitos clínicos aparentes apenas quando o indivíduo é exposto a taxas de radiação além do limiar13. 20 Em relação aos efeitos ocasionados devido a elevadas taxas de exposição e dose, podemos citar12: Quadro produzido pelo autor. Concluindo O conhecimento das normas de radioproteção é de extrema importância para garantir a segurança ao manipular isótopos radioativos. Além disso, o profissional deve ser treinado para a utilização de equipamentos capazes de monitorar possíveis contaminações, bem como evitar que estas aconteçam. Esta seção também apresentou conceitos importantes dos efeitos biológicos que a radiação pode causar no indivíduo. Considerações Finais Esta unidade trouxe noções básicas de física nuclear, medicina nuclear e radioproteção que devem ser utilizadas na rotina de um serviço de medicina nuclear e da radiofarmácia. O profissional que atua nesta área deve possuir os conhecimentos mínimos para que seu trabalho seja realizado de forma correta e segura. 21 Referências 1. Tauhata L, Salati I, Di Prinzio R, Di Prinzio AR. Radioproteção e Dosimetria: Fundamentos. 10. rev. Rio de Janeiro: IRD/CNEN; 2014. 2. Thrall JH, Ziessman HA. In: Medicina Nuclear. 2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan; 2003. 3. 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