Princípios de Raios-X, Raios Gama e Aplicações_Rennan

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Princípios de Raios-X, Raios 
Gama e Aplicações
Rennan Mano
rennan.mano@ufpe.br
1
Raios-X
Descobertos pelo físico 
alemão Röntgen (1895)
A “nova radiação” 
foi chamada de 
raios-x porque sua 
natureza era 
desconhecida
Amplamente utilizada na 
medicina, na indústria e 
em pesquisas científicas
Röntgen radiografou a 
mão de sua esposa (Anna 
Bertha Ludwig)
Prêmio Nobel de 
Física (1901)
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O raio-X é uma radiação eletromagnética 
que pode ser produzida de duas maneiras:
Produção dos Raios-X
núcleo
elétron
elétron
Raio-X característico: 
Quando um elétron incidente colide com o material e um elétron do material do material é removido 
das camadas mais internas (camada K com n=1), um elétron da camada mais externa irá ocupar o seu 
lugar e o raio-X será emitido nessa transição (transição entre órbitas).
A energia desse fóton de raio-X representa exatamente a diferença entre os níveis de energia 
envolvidos. Como cada elemento possui níveis de energia específicos, a energia do raio-X é própria do 
material e por isso é chamada de raio-X característico.
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O raio-X é uma radiação eletromagnética 
que pode ser produzida de duas maneiras:
Produção dos Raios-X
Raio-X de frenamento (ou de Bremsstrahlung): 
Quando elétrons incidentes se aproximam de núcleos atômicos de um material, eles são 
desacelerados ou desviados (perdem energia cinética) pela interação com o núcleo e emitem fótons 
de raio-X. 
Os fótons de raio-X podem ter qualquer energia desde valores perto de zero até um valor máximo que 
é determinado pela energia dos elétrons incidentes. Dessa forma, é produzido um espectro contínuo 
de raios-X.
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Se um elétron incidente perder toda a sua energia pelo frenamento, toda essa energia irá para o 
fóton de raio-X. Como a energia é inversamente proporcional ao comprimento de onda, esse fóton 
terá o mínimo do comprimento de onda possível. 
Produção dos Raios-X
Por isso o gráfico não começa no zero. Esse valor não 
depende do material, só depende do elétron incidente. 
Quanto maior a energia perdida na frenagem, menor é o 
comprimento de onda.
Quanto menor é a energia perdida, maior é o comprimento de 
onda do raio-X
comprimento de onda (nm)
I
n
te
n
s
id
a
d
e
característico
frenamento
Assim: K = eV = E = hc/
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COMPONENTES BÁSICOS 
DO TUBO DE RAIO-X
Sistema de produção de Raios-X
Emissor de elétrons (filamento de tungstênio aquecido) é o 
catodo, ou polo negativo.1
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Anodo (polo positivo, de cobre) contém material ou alvo 
com o qual os elétrons vão colidir (tungstênio ou 
molibidênio)
A parte externa do tubo é feita de Pyrex (vidro)
Os elétrons emitidos pelo filamento são acelerados por uma 
diferença de potencial que existe entre o anodo e o catodo 
e incidem sobre o alvo produzindo raios-X (característico ou 
frenamento).
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Sistema de produção de Raios-X
❖ Os raios-X produzidos são emitidos em quase todas as direções. Serão utilizados em exames apenas aqueles 
que atravessam uma janela, formando o feixe útil.
❖ Ponto focal é a área do alvo de onde os raios-X são emitidos. Ponto focal pequeno → Melhor nitidez da 
imagem
❖ No catodo também está o focalizador (elétrons se repelem e se espalham → perda e espalhamento do raio-X). 
Para evitar isso, o filamento é envolvido por uma capa carregada negativamente que mantém os elétrons mais 
unidos e os concentra em uma área menor do anodo.
Raio-X
foco
filamento 
janela
anodo
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Sistema de produção de Raios-X
❖ Em um tubo de raio-X, a maioria dos elétrons incidentes sobre o alvo perde a sua energia cinética de modo 
gradual nas diversas colisões convertendo-as em calor.
❖ Por isso tanto o catodo quanto o anodo são feitos de material com alto ponto de fusão. A temperatura é tão 
alta que ainda precisam de métodos especiais de resfriamento.
❖ No interior do tubo, os componentes estão a vácuo para aumentar a eficiência de produção de raio-X.
❖ Se não houver vácuo, os elétrons vão colidir com partículas de gás, reduzindo a produção de raio-X e 
aumentando o calor.
Raio-X
foco
filamento 
janela
anodo
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Interação do raio-X com a matéria
❖ Os raios-X não interagem (são absorvidos) da mesma forma pelos diferentes materiais (nosso corpo). Por isso, 
é possível radiografar partes do corpo para diagnóstico.
❖ Elementos pesados (cálcio e bário) são melhores absorvedores de raio-X que elementos leves. Por isso que 
estruturas ósseas aparecem nitidamente em radiografias.
Cálcio
Bário
>
Absorção
Carbono Oxigênio
Hidrogênio
❖ Enquanto os ossos absorvem os raios-X, o tecido mole os deixa passar. Por isso nas radiografias os ossos são 
brancos e o restante escuro.
Mas o que significa absorver? O que causa a absorção?
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Interação do Raio-X com a matéria
Efeito fotoelétrico:
É o efeito que causa a absorção do raio-X. Esse efeito só acontece em materiais com grande número atômico 
(por isso o raio-X é eficiente para se visualizar ossos, que são formados por cálcio). 
O efeito fotoelétrico é mais eficiente em uma determinada faixa de energia do raio-X.
Em outras palavras, esse efeito consegue “arrancar” elétrons de um átomo.
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Quais são os mecanismos pelos quais os raios-X são espalhados ou absorvidos pela matéria?
elétron
fóton
núcleo
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Interação do Raio-X com a matéria
Espalhamento Compton:
Só espalha o raio-X. Não colabora em nada para uma boa imagem médica, só atrapalha. Também é 
mais eficiente em uma determinada faixa de energia do raio-X.
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Quais são os mecanismos pelos quais os raios-X são espalhados ou absorvidos pela matéria?
Fóton
elétron
fóton
Transmissão:
O raio-X será transmitido pelo tecido mole com baixo 
número atômico.
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Interação do Raio-X com a matéria
É o equilíbrio entre a absorção causada pelo efeito fotoelétrico e a transmissão que proporciona um bom contraste 
para se obter uma boa imagem médica de raio-X. Por isso é tão importante se trabalhar na faixa certa de kV.
fotoelétrico
compton
N
ú
m
e
ro
 A
tô
m
ic
o
Energia (KeVx103)
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Radiação ionizante
❖ O raio-X é uma radiação ionizante. Esse tipo de radiação consegue ionizar o átomo, ou seja, arrancar elétrons 
do átomo (efeito fotoelétrico). Por isso, toda radiação ionizante é prejudicial ao organismo.
❖ Os danos são cumulativos. A taxa de exposição e a área exposta afetam a magnitude dos efeitos. Os efeitos 
são a curto (náuseas, vômitos, infecções fortes, hemorragia, perda de cabelo, diarreia) e longo prazo, causado 
por grandes exposições ou várias exposições (efeitos genéticos → expressa-se nas gerações futuras e efeitos 
somáticos, como o câncer, anormalidade no embrião, indução de cataratas, redução da vida média).
Proteção e dosímetros 13
Mamografia
❖ O uso do raio-X para visualizar um tecido mole → a mama. Para isso, é preciso diminuir o kV. 
❖ A absorção diferencial aumenta com a diminuição do kV, pois se aumenta o efeito 
fotoelétrico. Porém aumentando o efeito fotoelétrico e a absorção se aumenta muito a dose 
de radiação recebida pelo paciente. Por isso, a mamografia é um exame de alta dose que 
deve ser feito com baixa frequência.
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Interação do raio-X com a matéria
A intensidade dos raios-X, que é proporcional ao número de fótons do feixe, decresce quando atravessam certos meios. 
Esse fato se chama atenuação, que é devido a absorção e espalhamento do feixe. Para um feixe monoenergético, esse 
decréscimo pode ser descrito por:
I = I0 e-x
I é a intensidade após a passagem, I0 é a intensidade inicial, x é a espessura linear do material e  é o coeficiente de 
atenuação linear, que depende do meio e da energia de radiação incidente.
A CSR é a espessura do material necessária para reduzir a intensidade do raio-X pela metade do valor original X = 
0.693/. Medir o CSR é o método mais prático para avaliar a qualidade de radiação.
15CSR: Camada semi-redutora
Outras informações
Para aplicação médica, a voltagem no tubo pode ser ajustada. Altas voltagens produzem mais energéticos, pois a 
voltagem é diretamenteproporcional a energia, e isso afeta a qualidade do feixe.
K = eV  E
A corrente no tubo (número de elétrons) pode ser ajustada para controlar o número de fótons de raio-X criados por 
unidade de tempo, e isso afeta a quantidade.
Os aparelhos de raio-X possuem filtros de metal para reduzir a maioria dos fótons de baixa energia que atingiriam o 
paciente. Fótons de baixa energia não contribuem em nada na qualidade da imagem e aumentando a dose, isso também 
afeta a qualidade.
Quanto maior a energia de um feixe de raio-X, maior é a penetrabilidade. Isso também afeta a qualidade do feixe 
incidente.
Grades e outros fatores de imagem
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Detecção do raio-X e Formação da imagem
A utilização direta de filmes na formação de imagem é uma técnica ineficiente. Assim, na maioria dos 
exames, telas intensificadoras (écrans) são usadas. 
Essas telas convertem a energia dos raios-X em luz visível, aumentando a eficiência na formação da 
imagem. Para cada interação de um fóton de raio-X, um grande número de fótons visíveis são 
emitidos.
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Raio-X Paciente
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Filme fotográfico Imagem
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Fluoroscopia, Angiografia, Abreugrafia
Fluoroscopia
A principal função é realizar estudos dinâmicos. 
É usada para visualizar o movimento de 
estruturas internas e fluidos. Uma radiografia 
pode ser realizada caso se observe alguma 
alteração. A visualização pode ser sobre uma 
tela tipo écran ou sobre um televisor. 
Abreugrafia
Foi desenvolvida pelo cientista brasileiro Manuel 
de Abreu, em 1936, sendo usada no controle de 
Tuberculose no Brasil. O feixe, após passar pelo 
paciente, também incide em um anteparo 
fluorescente. É um raio-X do pulmão e a exposição 
é 5 vezes maior que para uma radiografia normal.
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Fluoroscopia, Angiografia, Abreugrafia
Angiografia
Usada para visualizar o coração, principalmente 
quando se vai fazer cateterismo cardíaco 
(desobstrução de vasos do coração) ou outros 
procedimentos cardiológicos.
Podem ser usados contrastes → Substâncias 
com grande número atômico que se ligam a 
determinados lugares e proporcionam o 
contraste necessário para o raio-X.
Angiografia ocular 19
Dose
Energia depositada por ionização no tecido biológico por unidade de massa.
1 rad = 0,01 J/(kg tecido) 1 Gy = 100 rad
0,0001 a 0,001 Gy
Radiografia
20 a 80 Gy
Radioterapia
Gy = Gray
Rad = Radiano
J = Joule 20
Raios gama
ÁTOMOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS
NÚCLEO NÚCLEO
ELÉTRON
“RADIAÇÃO”
ISÓTOPOS
❖ Mesmo número de prótons → Mesmas propriedades químicas
❖ Radionuclídeo → mesmas propriedades que seus isótopos estáveis
❖ Radionuclídeos → naturais ou artificiais
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Raios gama
Núcleo
radiações alfa (), beta () e gama ()
− +
Aniquilação elétron/pósitron
(cada par → 2 raios gama)
gama ()
Radiação  e  são partículas e radiação  é radiação 
eletromagnética, assim como o raio-X
Raio-X
Raios gama
Interação matéria/radiação  : 
Efeito fotoelétrico e espalhamento Compton
❖ O raio-X é gerado por um processo de acomodação na 
camada eletrônica do átomo.
❖ O raio gama é produzido por um processo de 
acomodação no núcleo de um átomo.
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Tomografia Computadorizada
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Tomografia computadorizada
A Tomografia Computadorizada em duas dimensões é um exame no qual se observam fatias (tomos) do paciente.
Tomografia por transmissão (CT)
❖Usa raio-X
❖Ênfase no estudo anatômico
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Tomografia por emissão (ECT → PET, SPECT)
❖Usa raios gama
❖Ênfase no estudo fisiológico
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Tomografia por transmissão
É fácil se visualizar e diferenciar através da radiografia ossos de tecidos moles. Mas, através da radiografia não é 
possível se visualizar com detalhes tecidos moles ao ponto de se diferenciar tecidos normais de anormais. A 
Tomografia por Transmissão usando raio-X é uma técnica avançada usada justamente para se visualizar e diferenciar 
detalhadamente tecidos moles.
Na CT o paciente fica entre a fonte de raio-X e 
o detector. Os fótons interagem com a matéria 
ao atravessar o paciente. É medida a intensidade 
do feixe que chega no detector - transmitida 
pela matéria - e assim é reconstruída a imagem 
de uma fatia do paciente.
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Tomografia por transmissão
(a) cérebro, (b) órbita ocular, (c) pulmão, (d) abdômen.
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Tomografia por transmissão
❖ Primeiras imagens se seções internas do corpo → cérebro.
❖ Imagem adquirida em 5 minutos, reconstrução em 20 minutos.
Em 1970
Nos dias 
atuais
❖ Evoluiu → procedimento padrão
❖ Imagem adquirida em 1 segundo, 
reconstrução em 3 – 5 segundos.
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CT de 1ª Geração – Geometria de feixe paralelo
❖ Emissão de um feixe de raios-X paralelos através de um objeto, com um 
detector posicionado do lado oposto.
❖ Aquisições de dados em diferentes ângulos → reconstrução de uma 
imagem 3D das estruturas internas do objeto.
❖ O exame é demorado: 5 minutos por fatia
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CT de 2ª Geração – Feixe aberto e múltiplos detectores
❖ O tempo de varredura diminuiu em 30 segundos com o uso do feixe aberto e do detector 
em forma de matriz linear.
❖ O movimento também é de translação e rotação.
❖ O ângulo de rotação pode ser maior, resultando em um tempo menor para cada fatia
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CT de 3ª Geração – Feixe aberto e múltiplos detectores rotatórios
❖ Um feixe aberto é rodado por 360° ao redor de um centro. Não há translação.
❖ O feixe deve ser largo o suficiente para cobrir o paciente.
❖ O detector é curvo e contém centenas de subdetectores independentes mecanicamente 
acoplados à fonte e ambos rotacionam juntos. 
❖ Cada fatia é adquirida em 1 segundo.
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CT de 4ª Geração – Feixe aberto e múltiplos detectores fixos
❖ A fonte roda sobre um centro, enquanto os detectores ficam estacionários.
❖ A matriz tem de 600 a 4800 detectores independentes em um círculo completo ao redor 
do paciente. O tempo de varredura é similar ao de terceira geração.
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Tomografia por emissão (ECT)
Na ECT não há fonte externa. Os fótons de raios gama são emitidos por elementos radioativos que 
são injetados no paciente e depois são detectados. A imagem é funcional. Há dois tipos de 
tomografia por emissão a PET e a SPECT, ambas baseadas em raios gama.
raios
gama
detector
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Tomografia por emissão de pósitron (PET)
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Tomografia por emissão de pósitron (PET)
Princípio de Funcionamento: A PET utiliza radiofármacos marcados com átomos positivos, chamados pósitrons. 
Quando esses radiofármacos são injetados no paciente, eles emitem pósitrons que colidem com elétrons nos 
tecidos do corpo. Essas colisões resultam na emissão de dois fótons gama com energias específicas em direções 
opostas. Detectores especiais capturam esses fótons gama e os transformam em imagens tridimensionais.
Resolução Espacial e Temporal: A PET oferece melhor resolução espacial e temporal em comparação com a SPECT. 
Isso permite uma visualização mais nítida das estruturas e processos metabólicos no corpo.
Radiofármacos: Os radiofármacos utilizados na PET geralmente têm uma meia-vida curta, o que limita o tempo 
disponível para a aquisição de imagens após a administração do radiofármaco. Isso significa que a PET é mais 
adequada para a investigação de processos metabólicos e de rápido turnover no corpo.
Aplicações Clínicas: A PET é amplamente utilizada na oncologia para diagnóstico, estadiamento e monitoramento 
de tumores, bem como na avaliação de doenças neurológicas, como Alzheimer, Parkinson e epilepsia.
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Tomografia por emissão de pósitron (PET)
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Tomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT)
Princípio de Funcionamento: Na SPECT, radiofármacos são marcados com átomos que emitem fótons gama. Esses 
fótons gama são capturados por um detector de cintilação giratório que gira ao redor do paciente. A partir dessas 
medições, é possível reconstruir imagens tridimensionais das distribuições radioativas no corpo.
Resolução Espacial e Temporal: A resolução espacial e temporal da SPECT é geralmente inferior à da PET. Isso se 
deve à natureza do processo de detecção e à velocidade de rotaçãodo detector.
Radiofármacos: Os radiofármacos usados na SPECT têm uma meia-vida mais longa em comparação com os da PET. 
Isso permite que aquisições de imagem sejam realizadas por um período mais prolongado após a administração do 
radiofármaco, o que pode ser útil para investigar processos metabólicos mais lentos.
Aplicações Clínicas: A SPECT é comumente usada para a avaliação de fluxo sanguíneo cerebral, perfusão miocárdica 
(do coração), doenças ósseas, doenças da tireoide e distúrbios neuropsiquiátricos, como a doença de Alzheimer e a 
depressão.
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Características de um Radiofármaco ideal
❖ Acumulação e retenção no órgão alvo
❖ Não acumular nos tecidos que não são alvos
❖ Sem efeitos colaterais
❖ Baixo custo
❖ Fácil preparação
❖ Alta especificidade → diferenciar doenças similares
PET: (1) 11C – 20.4 min – (2) 13N – 10 min – (3) 15O – 2.07 min – (4) 18F – 110 min
– (5) 82Rb –1.25 min
SPECT: (1) 67Ga – 200 keV – 78.26 h – (2) 99mTc – 140 keV – 6.03 h –m (3) 111In –
200 keV – 2.81 d – (4) 123I – 159 keV – 13 h – (5) 131I – 364 keV – 8.06 d
99mTc: fácil produção; versatilidade 
química.
Outros radioisótopos requerem o cíclotron, 
o que torna a produção bem mais cara e 
menos utilizável.
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Tomografia por emissão
A duração do exame é limitada pelo decaimento de isótopos e pelas mudanças na distribuição dos 
radiofármacos no corpo.
A curta meia-vida dos radionuclídeos usados em PET requer que eles sejam produzidos em local próximo ao da 
realização do exame. Os PET-Scan normalmente são acompanhados de cíclotrons.
A atividade de um radioisótopo é a taxa de decaimento por unidade de tempo. Sendo uma amostra de N 
átomos radioativos, a atividade é proporcional a N é definida como:
A = - dN/dt 
A =  N
A meia-vida de um radionuclídeo é o tempo após o qual a atividade de uma amostra desse radionuclídeo cai à 
metade de seu valor inicial:
0,693 =  T1/2
onde  é a constante de decaimento
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Funcionamento de um PET-Scan Diferenças: PET x SPECT
	Slide 1: Princípios de Raios-X, Raios Gama e Aplicações
	Slide 2: Raios-X
	Slide 3: Produção dos Raios-X
	Slide 4: Produção dos Raios-X
	Slide 5: Produção dos Raios-X
	Slide 6: Sistema de produção de Raios-X
	Slide 7: Sistema de produção de Raios-X
	Slide 8: Sistema de produção de Raios-X
	Slide 9: Interação do raio-X com a matéria
	Slide 10: Interação do Raio-X com a matéria
	Slide 11: Interação do Raio-X com a matéria
	Slide 12: Interação do Raio-X com a matéria
	Slide 13: Radiação ionizante
	Slide 14: Mamografia
	Slide 15: Interação do raio-X com a matéria
	Slide 16: Outras informações
	Slide 17: Detecção do raio-X e Formação da imagem
	Slide 18: Fluoroscopia, Angiografia, Abreugrafia
	Slide 19: Fluoroscopia, Angiografia, Abreugrafia
	Slide 20: Dose
	Slide 21: Raios gama
	Slide 22: Raios gama
	Slide 23: Tomografia Computadorizada
	Slide 24: Tomografia computadorizada
	Slide 25: Tomografia por transmissão
	Slide 26: Tomografia por transmissão
	Slide 27: Tomografia por transmissão
	Slide 28: CT de 1ª Geração – Geometria de feixe paralelo
	Slide 29: CT de 2ª Geração – Feixe aberto e múltiplos detectores
	Slide 30: CT de 3ª Geração – Feixe aberto e múltiplos detectores rotatórios
	Slide 31: CT de 4ª Geração – Feixe aberto e múltiplos detectores fixos
	Slide 32: Tomografia por emissão (ECT)
	Slide 33: Tomografia por emissão de pósitron (PET)
	Slide 34: Tomografia por emissão de pósitron (PET)
	Slide 35: Tomografia por emissão de pósitron (PET)
	Slide 36: Tomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT)
	Slide 37: Características de um Radiofármaco ideal
	Slide 38: Tomografia por emissão
	Slide 39