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85 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS Unidade III 7 MÉTODOS BIOFÍSICOS DE ESTUDO: CONSTRUÇÃO E INTERPRETAÇÃO DE GRÁFICOS A História nos mostra que a construção dos métodos de estudo começou a ser explorada há muito tempo. Desde a criação do primeiro calendário de 365 dias, desenvolvido pelos egípcios, há mais de dois mil anos antes de Cristo; passando pelo cientista britânico da ordem franciscana Roger Bacon (1214-1292), um matemático (entre outras atribuições) que desenvolveu as bases do Método Científico e contribuiu para a visualização de dados abstratos; até chegarmos a René Descartes (1596-1650), com o desenvolvimento da Geometria Analítica e todos os seus desdobramentos. Por fim, William Playfair (1759-1823), que desenvolveu gráficos nas aplicações financeiras. A representação em gráficos é importante pois permite uma ideia imediata das relações das grandezas observadas, possibilitando responder às questões de diferentes áreas e disciplinas, o que muitas vezes seria visualizado de forma mais difícil, se disposto em tabelas. O plano cartesiano é fundamental para a construção de gráficos e consiste em dois eixos perpendiculares, sendo o horizontal chamado de eixo das abscissas (X) e o vertical, de eixo das ordenadas (Y), que se cruzam na origem (ponto O). O plano cartesiano foi desenvolvido por Descartes com a intenção de localizar pontos num determinado espaço bidimensional. Veja o exemplo do ponto “P” na figura a seguir. Eixo vertical - eixo das ordenadas Eixo horizontal Origem Yi P = (xi, Yi) Xi = abscissa do ponto P Yi = ordenada do ponto P Y XXi Figura 74 – O plano cartesiano demonstrando as duas dimensões (X, Y) do ponto “P” Para a construção de gráficos, faz-se necessário definir quais grandezas os dois eixos representarão. E também a escala em cada um dos eixos, considerando-se as correspondências entre eles, ou seja, entre 86 Unidade III as dimensões (X, Y). O acordo entre essas duas escalas poderá ser retratado em folhas para gráficos de papel milimetrado, que representa as escalas lineares, monologarítmico, que reproduz uma escala logarítmica e outra linear, e dilogarítmico que retratam duas escalas logarítmicas. Essas bases para representação estão também disponíveis em softwares específicos que substituem o papel especializado. Além disso, a construção de gráficos requer a escolha do melhor tipo de representação, entre as diferentes possibilidades de formato. Os dados em eixos para compor o gráfico de colunas (retângulos verticais), barras (retângulos horizontais), gráfico de linha e gráfico em setores (pizza). Para a construção de gráficos no plano cartesiano, tenhamos por base a malha quadriculada. Os gráficos de barras e colunas apresentam grande popularidade pela maior facilidade de construção e facilidade para a observação das diferenças de valores. Contemple a representação na tabela a seguir, em que as linhas representam os locais (regiões do Brasil) e a coluna, os casos prováveis de dengue em 2018. Tabela 6 – Número de casos prováveis de dengue até a Semana Epidemiológica 48, por região do Brasil, em 2018 Região Casos prováveis (n) Norte 15.516 Nordeste 65.627 Centro-Oeste 90.865 Sudeste 66.982 Sul 2.674 Brasil 241.664 Adaptada de: Brasil (2018). Neste caso, o objetivo do gráfico de barras representado na figura a seguir é mostrar visualmente a correspondência das regiões do Brasil e a incidência de casos prováveis de dengue, através do tamanho das barras que fornece uma compreensão mais rápida. Sul Sudeste Centro-Oeste Nordeste Norte 0 20.000 40.000 60.000 Casos prováveis 80.000 100.000 Número de casos prováveis de dengue por região do Brasil em 2018 Figura 75 – Gráfico de barras simples 87 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS O exame minucioso desse gráfico permite descobrir que, em 2018, a região Centro-Oeste exibiu o maior número de casos prováveis em relação ao total do País. Em seguida, aparecem as regiões Sudeste, Nordeste, Norte e Sul. Geralmente, os gráficos de barra são utilizados para comparar categorias ou fatos de mesma natureza, sendo eles organizadas verticalmente, enquanto os valores possuem disposição horizontal. Esse tipo é usado para enfatizar a comparação de valores, como pudemos observar em relação ao número de casos prováveis de dengue. As informações demonstradas em representações gráficas devem ser claras, objetivas e consistentes. Vamos compor um gráfico de colunas simples contendo dados comumente apresentados pelas Ciências Biomédicas. O referencial teórico é a análise de amostras de câncer de mama (tumores mamários) e os valores do beta-actina (β-actina), que é um gene, ou seja, exprime uma informação contida no DNA (ácido desoxirribonucleico) que pode ser quantificada. Essa informação é importante para os profissionais que desenvolvem testes diagnósticos moleculares. Então observe a tabela a seguir, cujas linhas apresentam as amostras tumorais e a coluna, os valores da expressão (média) da beta-actina. Observação A média aritmética, ou mais comumente denominada média, é a soma de todas as observações divididas pelo número de observações. Tabela 7 – Valores da expressão de beta-actina (β-actina) em amostras tumorais de câncer de mama Amostras tumorais Valor médio da expressão de β-actina Tumor 4 10,77 Tumor 5 10,90 Tumor 16 13,95 Tumor 17 16,30 Tumor 22 10,03 Tumor 55 8,36 Tumor 57 11,49 Tumor 58 8,50 Tumor 59 9,02 Tumor 62 8,80 O gráfico de colunas a seguir se torna mais significativo, facilitando a comparação entre os valores de expressão das diferentes amostras. É possível afirmar que existe variação nos valores de beta-actina entre as amostras tumorais. Os valores das amostras 55, 58, 59 e 62 são aproximados, 88 Unidade III mas as amostras 16 e 17 estão discrepantes em relação ao conjunto. Seria possível fazer uma subdivisão em dois grupos principais, destacando as semelhanças e as diferenças entre as amostras coletadas e observando os dados clínicos (como idade das pacientes, tipo de tumor mamário etc.). Tumor 04 Tumor 05 Tumor 15 Tumor 17 Tumor 27 Tumor 55 Tumor 57 Tumor 58 Tumor 59 Tumor 62 18,00 15,00 12,00 9,00 6,00 3,00 0,00 Expressão de beta-acima em diferentes amostras de tumores mamários Figura 76 – Gráfico de colunas simples destacando os valores de beta-actina em diferentes amostras de tumores Por fim, temos que na análise dos gráficos de barras e colunas é importante verificar o que está sendo mais evidenciado, observando valores mínimos e máximos, se há uma padronização dos valores observados, com elevação ou diminuição dos valores e até pode-se constatar se existe possibilidade de separação em categorias que expliquem melhor os resultados encontrados como citado na interpretação da figura a seguir. Alguns autores utilizam também as colunas justapostas, representando um gráfico de frequências denominado histograma. Os gráficos de linha são muito utilizados para mostrar eventos cronológicos ou de evolução. Para tanto, pontos realizam a correspondência entre os eixos X e Y, e a união destes por linhas contínuas ou tracejadas compõe o gráfico. Como exemplo, podemos citar as variações da taxa cambial do dólar ao longo dos meses, ou ainda, observar dados de relevância epidemiológica como demostrado na figura a seguir. Nela, dados divulgados pela Secretaria de Vigilância em Saúde do Ministério da Saúde revela os casos prováveis de dengue no Brasil entre 2017 e 2018. 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 0 Semana epidemiológica de início de sintomas N º d e cr es ci m en to d e ca so s pr ov áv ei s d e de ng ue 20182017 Figura 77 – Gráfico de linhas destacando os casos prováveis de dengue no País em 2017 (da 1ª à 52ª semana epidemiológica) e em 2018 (até a 48ª semana epidemiológica) 89 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS Nota-se na figura que o númerode casos prováveis de dengue foi maior entre a semana epidemiológica 11 e 19 nos dois anos estudados; ademais, observam-se picos de elevação de casos prováveis de dengue na 15ª semana epidemiológica em 2017 e 2018. Contudo, os valores desses marcos diferem no número de casos entre 2017 (cerca de 10.000 casos) e 2018 (12.000 casos). Estudiosos afirmam que o gráfico de linhas é adequado quando se acredita em uma progressão continuada da grandeza estudada. Um outro tipo de representação é o gráfico em setores (também identificado como gráfico em pizza) o qual, segundo Martinelli (2014), está baseado num sistema polar, isto é, deriva de uma base cilíndrica, com circunferências concêntricas e equidistantes. Figura 78 – Base circular Esse gráfico facilita a elaboração de comparações entre as partes e das partes no que se refere ao todo, pois a parte ou setor é uma fração do todo. Apesar de serem dados fáceis para interpretação, sua construção é árdua. Ao utilizar-se de programas apropriados, este intento torna-se mais fácil, o que viabiliza sua execução por pessoas não especializadas. Vejamos a tabela a seguir, que trata das estimativas para o ano de 2018 do número de casos novos de câncer, segundo o sexo masculino e localização primária. Tabela 8 – Distribuição proporcional dos dez tipos de câncer mais incidentes em homens, estimados para 2018, exceto pele não melanoma Localização primária Casos novos Porcentagem Próstata 68.220 31,70 Traqueia, brônquio e pulmão 18.740 8,70 Cólon e reto 17.380 8,10 Estômago 13.540 6,30 Cavidade oral 11.200 5,20 90 Unidade III Esôfago 8.240 3,80 Bexiga 6.690 3,10 Laringe 6.390 3,00 Leucemias 5.940 2,80 Sistema Nervoso Central 5.810 2,70 Outras 52.940 24,60 Adaptado de: Estimativa 2018 – Incidência de câncer no Brasil / Instituto Nacional de Câncer José Alencar Gomes da Silva. Coordenação de Prevenção e Vigilância – Rio de Janeiro: INCA, p. 58, 2017. Para o gráfico em setores representado na figura a seguir, uma regra de três simples pode auxiliar sua elaboração, visto que é fundamental determinar uma proporcionalidade entre a frequência de cada setor e a angulação da circunferência, cujo total corresponderá a 360°. Outros Sistema nervoso central Leucemias Laringe Bexiga Esôfago Cavidade oral Estômago Cólon e reto Traqueia, brônquio e pulmão Próstata Dez tipos de câncer mais incidentes em homens, estimados para 2018 Figura 79 – Representação do gráfico em setores, apresentando a proporção das principais seções que compõem a frequência dos dez tipos de câncer mais incidentes em homens (estimativa 2018) Saiba mais Para conhecer melhor a análise de dados nas Ciências da Saúde, leia: GLANTZ, S. A. Princípios de Bioestatística. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014. 91 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS 8 RADIOATIVIDADE A história da radioatividade inicia-se em 1896 com Henri Becquerel. Esse cientista francês descobriu o fenômeno da radioatividade, através da observação de sais de urânio que emitiam radiações parecidas com as dos raios X, capazes de impressionar chapas fotográficas. Em 1898, o casal Pierre e Marie Curie nomeou esse fenômeno de radioatividade. E um ano depois, Ernest Rutherford demonstrou que a radiação emitida era característica de cada elemento. Ele estudou que existiam pelo menos três tipos de emissões. Desse modo, concluiu que a radiação decorre da desintegração espontânea do núcleo de um átomo radioativo, devido ao seu estado energético muito intenso, o qual tende a estabilizar-se pela liberação de energia. Os radioisótopos são todos os isótopos de todos os elementos químicos capazes de emitir partículas e ondas eletromagnéticas. Para estudar esse assunto, é importante saber alguns conceitos: os elementos químicos são formados por átomos, a unidade fundamental da matéria, e podem ser subdivididos em minúsculas partículas: os prótons, os nêutrons e os elétrons. Os prótons (carga positiva) e os nêutrons (carga neutra) estão localizados no interior do núcleo e contêm a maior parte da massa do átomo. Os elétrons (ē, carga negativa) circundam o núcleo e possuem uma massa muito menor que a nuclear. Para exemplificar, poderíamos pensar que o átomo é uma laranja; o seu interior, de onde os gomos saem, o núcleo; a casca, os caminhos que os elétrons percorrem. O número de prótons determina o número atômico (Z) do elemento químico, e a soma dos prótons e nêutrons é o número da massa (A) desse elemento. Os isótopos são átomos de um mesmo elemento químico; portanto, apresentam o mesmo número atômico, mas com número diferente de nêutrons. X He S A A = 4 (P + N) Z = 2 (P) A = 33 (P + N) Z = 16 (P) 4 33 Z 2 16 Figura 80 – Representação esquemática de um modelo de elemento químico X, sendo Z o seu número atômico e A o seu número de massa. Exemplos do número atômico e de massa do gás hélio e enxofre O O O 16 17 18 8 8 8 Figura 81 – Representação dos isótopos do Oxigênio, mostrando que átomos com o mesmo número de prótons são quimicamente iguais 92 Unidade III Descobriu-se que os radioisótopos se individualizam pelo seu número de massa e possuem um esquema bem determinado de emissões, cuja energia é bem específica. Durante a década de 1950, com o desenvolvimento dos reatores nucleares houve um rápido crescimento na produção de radioisótopos, juntamente com suas aplicações médicas. A radioatividade é norteada por leis que estão ligadas às emissões radioativas com a decorrente conversão de um radionuclídeo (núcleo radioativo) em outro elemento químico. Essa conversão tem por objetivo transformar um átomo instável em outro mais estável. A desintegração radioativa dá-se por emissão de partículas alfa, beta, e ainda pelas ondas eletromagnéticas do tipo raios X ou gama. Então temos que radiação é todo processo de emissão de energia, seja por meio de ondas e/ou partículas. E podem originar-se tanto do núcleo quanto da eletrosfera do átomo. Conclui-se que sempre que o núcleo de um átomo é instável, ele é chamado de radionuclídeo, e a maneira que ele busca para transferir essa energia em busca de estabilidade é denominada radioatividade. A grandeza denominada atividade mede o número de desintegrações de uma amostra radioativa por unidade de tempo. Sua unidade antiga, porém, ainda utilizada, é o Curie (Ci) e seus submúltiplos (mCi, µCi). E a nova é o Becquerel (Bq), que corresponde a 1 desintegração por segundo. Sabendo-se que 1 mCi corresponde a 3,7 x 107 desintegrações por segundo, temos que a equivalência é de 1 mCi para 37 MBq. Saiba mais O filme relata o envenenamento das garotas que pintavam números e ponteiros de relógios luminescentes entre 1917 e 1925: RADIUM girls. Dir. Lydia Pilcher e Ginny Mohler. 2018. 102 min. Assim como o esquema de desintegração, a meia-vida (tempo de meia-vida: T½) é também uma constante de cada radionuclídeo. Denomina-se meia-vida o tempo necessário para que a atividade de uma amostra de radioisótopo chegue à metade da atividade inicial. Tomemos por exemplo o urânio, um dos elementos mais importantes da Física Nuclear. O Urânio-235 apresenta um tempo de meia-vida de 713 milhões de anos, enquanto a meia-vida do Urânio-238 é de 4,5 bilhões de anos. Assim, poderíamos dizer que o Urânio-235 decai muito mais rapidamente e, portanto, seria muito mais “consumido” que o urânio-238. A unidade de energia comumente utilizada quando se trabalha com radiações eletromagnéticas é o elétron-volt (eV), podendo ser medida em quilo elétron-volt (keV) e mega elétron-volt (meV). 93 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS 8.1 Radioatividade natural e artificial; radiações ionizantes e excitantes Nosso planeta e os seres que nele habitam estão continuamente expostos à radiação. Uma grande parte é decorrente da radiação cósmica, principalmente dos processos existentes no Sol e outras estrelas, embora a espessura da atmosfera terrestre funcione como uma blindagem; a outra parte vem da radiação terrestre, principalmentede famílias de elementos como Urânio e Tório. Nesses casos, o elemento instável vai sofrendo decaimento radioativo, transformando-se em outros elementos até atingir uma espécie atômica estável. Hoje em dia, essa radiação é bem menor que nos primórdios da existência. Mas ainda está presente atualmente. Existem apenas três séries ou famílias radioativas naturais. Na família do Urânio, o primeiro elemento é o Urânio-238 e o último, o Chumbo-206, na família do Tório, o primeiro elemento é o Tório-232, e com os decaimentos, termina-se no isótopo de Chumbo-208. Por fim, na família do Actínio, o primeiro elemento é o Urânio-235 (e não o Actínio-227, como se pensava anteriormente), terminando no isótopo de Chumbo-207. O estudo da radiação artificial inicia-se com Rutherford em 1919, através do bombardeamento de átomos de nitrogênio com partículas alfa; e sedimentaram-se com os trabalhos do italiano Enrico Fermi, um dos maiores físicos do século XX, que marcam o início da Era Nuclear. O desenvolvimento de reatores nucleares e máquinas aceleradoras de partículas abriram uma gama de possibilidades para a indústria e a Medicina. A geração de reações nucleares pode originar calor para a transformação em energia elétrica e mecânica e permite a geração artificial de muitos radioisótopos utilizados nos métodos diagnósticos e terapêuticos. Vale ressaltar que esses radioisótopos devem apresentar características bem definidas, como tempo de meia-vida curto e emissão de radiações específicas para cada uso. O Brasil é um dos poucos países do mundo a possuir o domínio completo da tecnologia do Ciclo do Combustível Nuclear. As instalações radioativas no Brasil podem ser classificadas em cinco grandes áreas, como: instalações médicas, industriais, de ensino e pesquisa, distribuições e serviços. Esse desenvolvimento tecnológico foi feito principalmente nas instalações do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) e do Centro Tecnológico da Marinha de São Paulo (CTMSP). Os demais institutos da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) e centros de pesquisa de outras instituições também participam deste programa como um todo. A Comissão Nacional de Energia Nuclear, criada em 1956, é uma autarquia federal ligada ao Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações (MCTIC), para desenvolver a política nacional de energia nuclear. Para avistar melhor a importância desse setor em nosso País, segue o número de cadastros e autorizações para funcionamento, listados em meados de janeiro de 2019: cerca de 204 laboratórios de pesquisa, 420 serviços de Medicina Nuclear, 187 sistemas de inspeção corporal, 237 serviços de radioterapia, 456 medidores nucleares (dispositivos para mensuração de espessura e densidade, por exemplo), 39 instalações para inspeção de bagagem e contêineres, e ainda temos reatores nucleares localizados no Estado do Rio de Janeiro: a Usina Nuclear de Angra dos Reis, conhecida como Angra 1, Angra 2 e Angra 3 (esta ainda em processo de construção). 94 Unidade III (A) (B) Figura 82 – Usina Nuclear de Angra dos Reis. Em (A), Angra 2 em 2001, segunda usina nuclear brasileira; é capaz de atender ao consumo de uma cidade de 2 milhões de habitantes, como Belo Horizonte. Em (B), Angra 3 em construção Saiba mais O Projeto SIRIUS, a nova fonte de luz síncrotron, promete estudar novos materiais importantes para a ciência e a tecnologia brasileira. Acesse: <https://www.lnls.cnpem.br/>. A partícula alfa (α) é composta por dois prótons e dois nêutrons, ou seja, apresenta-se como o núcleo de um átomo de Hélio, sendo considerado pesado. Sua emissão foi apresentada pela 1ª Lei da Radioatividade, a Lei de Soddy, a qual define que quando o núcleo de um radionuclídeo emite uma partícula alfa (α), seu número atômico (Z) diminui de duas unidades e seu número de massa (A) diminui de quatro unidades. X α W A 4 A - 4 Z 2 Z - 2 + Figura 83 – Representação esquemática da emissão alfa, com modificação do radionuclídeo X em W O radionuclídeo X ao perder dois prótons se tornará o radionuclídeo W, seu número atômico será Z – 2. As partículas α possuem carga +2. Alguns exemplos de elementos que emitam partículas alfa são o Urânio-235, o Plutônio-239 e o Paládio-231. 95 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS Quando existem diferenças entre a quantidade de prótons e de nêutrons no núcleo, a emissão de uma partícula alfa não é suficiente para estabilizar esse elemento. Dessa maneira, ele continuará a realizar emissões (de diferentes tipos), a fim de atingir uma estabilidade. A emissão alfa apresenta uma velocidade de aproximadamente 20.000 km/s, cerca de 1/15 da velocidade da luz, a qual vai sendo reduzida conforme seu trajeto, e interagindo com outros átomos. Seu poder ionizante é elevado. Na ionização, os átomos podem perder ou ganhar elétrons, formando íons. Outro aspecto importante é sua baixa capacidade de penetração. Assim, é detida pelas células mortas da pele. Entretanto, se penetrarem no organismo por meio de um ferimento ou por aspiração, podem causar lesões graves. Um exemplo comum é que pode ser retida por uma folha de papel ou de alumínio. Lembrete Penetrância: capacidade que a radiação apresenta de atravessar barreiras físicas. A partícula beta (β) foi relatada em 1913 pela Lei de Soddy-Fajans-Russel ou também chamada de 2ª Lei da Radioatividade, que dizia: um núcleo, ao realizar uma emissão beta (β), apresenta um aumento de uma unidade em seu número atômico, permanecendo com um número de massa constante. Na realidade, a partícula a beta (β) é uma emissão corpuscular nuclear que pode apresentar carga positiva, denominada pósitron (ou β+), ou negativa, chamada de négatron (ou β–). Quando existe excesso de nêutrons no núcleo em relação aos prótons, ocorre a emissão de uma partícula negativa, um elétron, com carga –1, resultante da conversão de um nêutron em um próton. No caso de haver prótons em excesso, é emitida uma partícula beta positiva, chamada pósitron, resultante da conversão de um próton em um nêutron. Portanto, a radiação beta é composta por emissões nucleares, quando da transformação de nêutrons em prótons (partículas beta negativas) ou de prótons em nêutrons (partículas beta positivas). A reduzida massa possibilita uma velocidade semelhante à velocidade da luz (cerca de 95% da velocidade da luz), com um poder de penetração de 50 a 100 vezes maior em relação à partícula alfa. São detidas por 1 cm de alumínio (Al) ou 2 mm de chumbo (Pb) Penetram cerca de 2 cm no tecido, promovendo danos à pele, representado na figura a seguir. Entretanto, essas partículas só́ alcançam os órgãos internos do corpo se forem ingeridas ou aspiradas. 96 Unidade III Folha de papel α β γ Lâmina de alumínio Placa de chumbo Figura 84 – Exemplo da penetrância das emissões alfa, beta e gama A radiação gama (γ) origina-se do núcleo atômico, não apresentando carga nem massa. É uma onda eletromagnética, semelhante à luz visível, que apresenta fótons de energia variável, com elevada frequência (acima de 1020 Hz) e muita energia. Apresenta poder de ionização menor que as emissões corpusculares. É capaz de percorrer longas distâncias, pois se propaga à velocidade da luz no vácuo (300.000 km/s). Possui um grande poder de penetração. A radiação gama somente é detida por uma parede de chumbo, por isso os serviços de Medicina Nuclear devem ser reforçados com esse metal. Observação Normalmente, a emissão gama acompanha as radiações alfa ou beta. Após uma emissão gama, não ocorre modificação do número atômico nem do número de massa do átomo emissor. Esquematicamente, podemos comparar e visualizar as informações sobre o poder de penetração e ionização das emissões alfa, beta e gama indicadas na figura a seguir. Poder de pentração Poder de pentração αβγ Figura 85 – Esquema básico sobre poder de ionização e penetração das emissões radioativas 97 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS As radiações eletromagnéticasmais conhecidas são luz, micro-ondas, ondas de rádio, radar, laser, raios X e radiação gama (γ). Essas são caracterizadas pela frequência, comprimento de onda e normalmente viajam em velocidade constante no vácuo, ou seja, à velocidade da luz (3 x 108 m/s), e irão diferir quanto ao comprimento de onda (λ). Cada tipo de radiação eletromagnética possui comprimento e frequência de onda característicos. Além disso, o espectro eletromagnético pode ser composto por radiação ionizante e não ionizante. A tabela a seguir discrimina melhor os tipos de radiações eletromagnéticas e suas características básicas: Tabela 9 – Tipos de ondas eletromagnéticas e comprimentos de onda Tipo de onda eletromagnética Comprimento de onda (λ) Tipo de radiação Raios gama 10–4 a 0,1 m Ionizante Raios X terapêuticos 10–4 a 0,1 m Ionizante Raios X diagnósticos 0,1 a 1 m Ionizante Ultravioleta 20 a 3900 m Não ionizante Luz visível 3900 a 7500 Não ionizante Infravermelho 0,00008 a 0,01 cm Não ionizante Rádio, televisão, radar 1 a 3 x 105 cm Não ionizante Adaptada de: Funari et al. (2017, p. 3). A descoberta dos raios X tem por base o trabalho do físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), ganhador do prêmio Nobel de Física em 1901, quando observou irradiações luminosas sobre uma tela distante, sempre que ligava a condução de eletricidade através de um tubo de Crookes, um dispositivo de raios catódicos inventado por William Crookes (1832-1919), e que os raios emitidos não eram barrados por objetos. Trocando a placa pela chapa fotográfica e o objeto por um membro do corpo humano, inventou a radiografia. Os raios X têm sua origem mais complexa e da rara emissão natural. Podem ser produzidos quando um feixe de elétrons em elevada velocidade sofre desaceleração em um alvo anódico dentro de um tubo. Assim, o choque de feixes de elétrons que saem do cátodo em relação ao ânodo produz os raios X, através da conversão da energia cinética em ondas eletromagnéticas. O feixe de raios X produzido é filtrado para eliminar fótons de baixa energia e direcionados através de colimadores (peça que define o campo de irradiação) para região de interesse. Por fim, conclui-se que sua origem é na eletrosfera e não nuclear, como nas radiações alfa, beta e gama. Como a radiação do tipo gama, também eletromagnética, seu poder de penetração é elevado. O poder de ionização pode variar segundo a potência do aparelho utilizado, visto que este depende da voltagem. Observação Os raios X, ao entrarem em contato com o corpo do paciente, podem atravessar a matéria; ser absorvidos e ser espalhados. 98 Unidade III A incidência de raios X e radiação gama em qualquer material ou em seres humanos não os torna radioativos. Contudo, se uma pessoa ingerir ou inalar radionuclídeos, esta passa a emitir a radiação. 8.2 Interação das emissões com a matéria e com os seres vivos Naturalmente, os compostos orgânicos que formam as moléculas biológicas são neutros, pois realizam compartilhamento de elétrons que preenchem as camadas mais externas da eletrosfera. As emissões radioativas perturbam esse equilíbrio. As consequências das interações das emissões com órgãos e tecidos de um sujeito depende de diversos fatores. Podemos citar a quantidade total de radiação recebida atual e previamente; textura orgânica individual, dano físico concomitante à dose de radiação (como queimadura, por exemplo) e intervalo de tempo cuja radiação foi recebida. A ionização, fator já citado anteriormente, pode resultar na retirada de elétrons dos átomos. Esses elétrons originam um campo elétrico e poderão contatar o núcleo ou os elétrons mais distantes da eletrosfera através dos processos de frenagem (produção de raios X) e colisão, respectivamente. O importante nesse momento é ressaltarmos que as radiações podem ser classificadas como ionizantes ou não ionizantes, e como elas reagirão com a matéria. As radiações não ionizantes podem promover excitação dos átomos com os quais entram em contato, sem causar ionização desse átomo. O efeito da radiação eletromagnética não ionizante sobre a matéria ainda é objeto de estudo de centenas de pesquisas nos sistemas biológicos. Contudo, alguns resultados sobre os bioefeitos, a depender da frequência da radiação, da intensidade dos campos elétricos e/ou magnéticos, e da condição do sistema biológico, apontam para mudanças diversificadas. Por exemplo, alterações do ritmo cardíaco e modificações na resposta imunológica, variações histológicas na glândula tireoide, presença de efeito deletério sobre o crescimento dos neurônios, diminuição das hemácias e até alterações moleculares na permeabilidade de elementos plasmáticos e metabolismo energético. As radiações ionizantes apresentam frequência muito elevada, por transportarem uma grande quantidade de energia; assim, têm a capacidade de extrair elétrons, tornando a matéria irradiada carregada positivamente. Os elétrons livres formados são muito reativos, podendo tomar direções aleatórias e reagir nas estruturas dos tecidos biológicos. Os efeitos biológicos podem ser classificados como diretos ou indiretos. Os efeitos diretos acontecem pela ação da radiação diretamente sobre moléculas biológicas, como proteínas e ácidos nucleicos (DNA e RNA), alterando sua configuração e promovendo perda de função. Os danos ao nível do DNA são de extrema importância, já que podem interferir na produção de proteínas, funções estruturais, na divisão celular e até na promoção do câncer. Entre as alterações possíveis no DNA, temos a quebra de pontes de hidrogênio, perda de uma base e quebra das fitas com ligação cruzada, dentre outras. Embora exista um sistema de reparo aos danos no DNA, este é dependente da extensão da lesão e também permissível a erros de reparo. 99 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS Os efeitos indiretos ocorrem pela interação dos elétrons com a água, molécula mais abundante em um organismo vivo, a qual participa de quase todas as reações metabólicas; e não pela atuação direta nas estruturas celulares. Essa interação, denominada radiólise, produz radicais livres de oxigênio (peróxidos, superóxidos etc.). Sendo altamente reativos, os radicais livres podem interagir quimicamente entre si, com moléculas próximas e com as estruturas celulares. Estudos apontam que a maior parte das radiações ionizantes atua através de radicais livres de oxigênio. Isso explica por que os tecidos em hipóxia (mal oxigenados) são mais resistentes aos efeitos das radiações. A interação da radiação com o sistema biológico pode ser melhor caracterizada em três etapas: • A primeira é o estágio físico: nesse estágio, ocorrem interações da radiação com a matéria, resultando ionizações e ativações; tem duração curta e os produtos nela surgidos costumam ser extremamente reativos, frequentemente radicais livres. • A segunda é o estágio químico: caracterizado pela reação dos produtos formados na fase anterior, entre si ou com outras moléculas da vizinhança, o que conduz ao aparecimento de produtos secundários. • A terceira é o estágio biológico: neste estágio, a homeostase, a atividade metabólica intracelular é modificada, ou inibida, em consequência das alterações sofridas por algumas moléculas; este estágio pode durar de alguns minutos ou horas até vários anos e é nele que ocorrem a inativação celular, a fixação de mutações radioinduzidas e a transformação neoplástica. Efeitos celulares podem ser divididos, em relação aos níveis do dano, em somático e em genético ou hereditário. Os efeitos somáticos ocorrem quando a irradiação incide sobre os diferentes componentes celulares do indivíduo irradiado, como alteração da permeabilidade da membrana e quebra de estruturas proteicas que representam dano à atividade metabólica. Estes podem ser imediatos, ocorrendo em poucas horas até algumas semanas, como a radiodermite; ou tardios, surgindo após anos ou décadas, como o câncer. Não devemos nos esquecer, porém, que as alterações também apresentamvariação conforme a dose, ou seja, são dose-dependentes. Já os efeitos genéticos têm origem na ação da radiação sobre as células germinativas do indivíduo (células dos órgãos reprodutores), produzindo efeitos nos seus descendentes. Um aspecto importante é que é de caráter cumulativo. Tribondeau e Bergonie estudaram a fundo os apontamentos de que as células mostram diferentes graus de sensibilidade à radiação a depender do tipo celular, da fase do ciclo celular (atividade mitótica) e grau de diferenciação. Segundo suas determinações, quanto mais indiferenciado e proliferativo o tecido, mais sensível à irradiação, e quanto mais diferenciado e estável, mais resistente. 100 Unidade III A radiossensibilidade é intensidade e a velocidade de resposta dos tecidos à irradiação e está relacionada à origem do tecido; alguns são originalmente mais sensíveis que os outros. O oxigênio demostra um papel importante, devido à eletroafinidade, o oxigênio liga-se rapidamente aos elétrons gerados na ionização do DNA, causando danos, que favorecem a morte celular. A dose absorvida e a dose equivalente são grandezas dosimétricas, pois estão relacionadas à quantia de radiação a que um material foi submetido e quanto dela absorveu, respectivamente. A parcela absorvida da energia irradiada é referente às ionizações dos átomos, quebra de ligações químicas e elevação da energia cinética (energia de movimento) dos átomos e moléculas. A associação entre a energia absorvida e a massa de material irradiado é a base da definição da grandeza, dose absorvida. Tabela 10 – Tipos de grandezas dosimétricas e suas unidades no Sistema Internacional (SI) Grandezas Conceito Unidade (SI) Exposição Quantidade de íons formados pela radiação C/ kg (Coulombs/ kg ar seco) Dose absorvida Quantidade de radiação que a matéria irradiada recebeu Gy (Gray = 1 joule absorvido/ kg) Dose equivalente Quantidade de radiação absorvida pelo tecido Sv (Sievert) Adaptada de: Mourão Junior; Abramov (2017, p. 144). Os efeitos determinísticos são aqueles para os quais existe um limite de dose absorvida necessário para sua ocorrência e cuja gravidade aumenta com o aumento da dose. Tabela 11 – Efeitos determinísticos para doses elevadas Órgão ou tecido Dose em menos de2 dias (Gy) Tipo de efeito Tempo de ocorrência Corpo inteiro 1 Morte 1- 2 meses Pulmão 6 Morte 2 a 12 meses Pele 3 Eritema 1 a 3 semanas Tireoide 5 Hipotireoidismo Primeiro ano Cristalino 2 Catarata 6 meses Gônadas 3 Esterilidade permanente Semanas Feto 0,1 Teratogênese – Fonte: CNEN (2011). 101 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS Saiba mais Os filmes apresentam relação com os conteúdos apresentados: NAGASAKI 1945: Sino de Ângelus. Dir. Seiji Arihara, 2005. 80 minutos. CHUVA Negra (Kuroi Ame). Dir. Shohei Imamura, 1989. 123 minutos. 8.3 Aplicações das radiações em Medicina A radiografia apresenta a maior aplicação dos raios X. Trata-se de uma imagem gerada pelo contraste dos fótons que atravessam o paciente e fótons que são absorvidos. Sua classificação básica é denominada: radiografia simples e radiografia contrastada. Nesta se utiliza um meio de contraste, como o ar, iodo e bário, para acentuar a diferença entre as estruturas. Como esse é um exame de baixo custo, ainda é muito utilizado, pois permite uma visualização geral da região estudada. Nas imagens radiológicas, as partes com maior exposição pelos fótons de raios X tornam-se escuras em decorrência da menor densidade do tecido, enquanto as sombras claras/brancas são formadas pelos fótons absorvidos nos tecidos mais densos, como os ossos. Pode-se também utilizar a linguagem: imagem hipodensa, a qual permite a passagem de grande número de fótons (que contempla as regiões escuras) e imagem hiperdensa, cujas estruturas absorvem a maior parte dos fótons, correspondendo à área clara na imagem. Destacam-se quatro principais tipos de densidades diferentes nos exames radiológicos: a densidade óssea, densidade de partes moles, densidade de gordura e a densidade aérea. A tomografia computadorizada (TC) baseia-se nas projeções realizadas através de feixes de raios X que criam imagens clínicas de elevada qualidade que permitem o estudo detalhado da região acessada. O mecanismo de síntese dos feixes de raios x na tomografia computadorizada é o mesmo da radiografia convencional. A atenuação do feixe varia conforme a densidade dos tecidos, que é representada pixel a pixel na imagem a partir de uma escala de cinzas. A tomografia destaca-se pela diferenciação entre as diversas densidades, o que é realizado de forma quantitativa por meio da escala Hounsfield. Observação Atenuação é o enfraquecimento gradual de intensidade de qualquer tipo de fluxo através de um meio. Por exemplo: a luz solar é atenuada por óculos de sol. 102 Unidade III A radioterapia pode utilizar partículas beta negativas, raios X e radiação gama, em humanos, para fins terapêuticos. Nas etapas para o tratamento com a radioterapia externa, temos a anamnese pelo radioterapeuta, o planejamento do tipo de tratamento e a programação do aparelho, denominado simulador ou tomógrafo, o qual irá emitir a radiação de maneira dose-dependente em região tumoral previamente localizada e assinalada. Já a braquiterapia, conceituada como uma radioterapia localizada, faz uso de injeções das substâncias radioativas diretamente sobre tipos específicos de tumores e em locais específicos do corpo humano. A Medicina Nuclear engloba exames diagnósticos e terapias com radiações específicas. Os exames são chamados de cintilografias e utilizam, normalmente, radiação gama. Os materiais radioativos (radiofármacos), acoplados a moléculas biologicamente ativas são administrados por via endovenosa, oral ou inalatória. A distribuição dos radiofármacos demostram a atividade de um órgão específico ou sua função, não havendo risco de reações alérgicas. Um exemplo é a cintilografia óssea, em que o radiofármaco (tecnécio-99m, emissor de radiação gama, está acoplado com um fosfato modificado) será incorporado ao osso, e permitirá a visualização de todo esqueleto ósseo. Neste caso, o paciente será o emissor das radiações e o aparelho denominado gama-câmara detectará a radiação emitida pelo órgão estudado no paciente. As terapias com radioisótopos, como a iodoterapia, baseiam-se na administração oral de medicamentos contendo radioisótopos, cuja concentração ocorrerá na região a ser tratada. A radioterapia é um procedimento capaz de destruir células tumorais pela aplicação de radiações ionizantes. Uma equipe multiprofissional, geralmente um médico nuclear, juntamente com o físico nuclear e com um biomédico devidamente habilitado, procederão com a aplicação de uma dose pré-calculada de radiação, buscando erradicar todas as células tumorais, com o menor prejuízo possível às células normais circunvizinhas. Um exemplo importante é a complementação terapêutica com o Iodo Radioativo (I-131) utilizada em pacientes com carcinomas bem diferenciados e submetidos à tireoidectomia total. As emissões betas positivas são utilizadas pelo PET scan (Tomografia por Emissão de Pósitrons), um equipamento de alta tecnologia, que realiza exames diagnósticos e de elevada precisão. O princípio desse exame baseia-se na administração ao paciente de uma glicose alterada quimicamente com Flúor Radioativo (Flúor-18, FDG, fluordesoxiglicose), a qual será mais utilizada nos tecidos com maior atividade metabólica, como é o caso do câncer. Desse modo, a imagem do paciente indicará as regiões com elevada atividade metabólica. O PET scan é uma ferramenta moderna e de grande utilidade, porém apresenta um custo elevado. A Ressonância Magnética (RM) é um procedimento diagnóstico baseado na interação entre núcleo e um campo magnético aplicado. Para tanto, é necessário conhecer o spin nuclear ou, mais precisamente, o momento angular nuclear, conforme figura a seguir. De uma maneira simplificada, temos que o spin nuclear é a orientação e magnitude(posição vetorial), que as partículas atômicas nucleares podem apresentar, ou, ainda, consiste em um movimento de rotação constante ao redor de um eixo específico. A intensidade desse movimento e a orientação fazem parte das diversas propriedades de um átomo e sua intensidade depende da composição atômica. 103 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS (a) Átomo Spin nuclear Campo magnético externo Spin nuclear com baixa energia, gera um campo magnético alinhado com o campo magnético externo Spin nuclear com alta energia, gera um campo magnético oposto ao campo magnético externo (b) Figura 86 – Em (a), representação esquemática do spin nuclear. Em (b), movimento do spin nuclear sob a aplicação de um campo magnético externo. A seta azul mostra o sentido do movimento de rotação; e a seta preta retrata o vetor formado Na ressonância magnética (RM), o núcleo ganha energia e seu movimento entra em fase com os núcleos adjacentes, pela aplicação de um campo magnético de alta intensidade (mensurado em Teslas), de bobinas transmissoras e receptoras de radiofrequência e de gradientes. Estas promovem perturbações transitórias no campo magnético. Como o hidrogênio está presente nos corpos, é um núcleo ativo em RM. Este, por apresentar carga (positiva) e estar em rotação espontânea, mostra tendência a alinhar seu eixo de rotação a um campo magnético externamente aplicado. A ultrassonografia é um tipo de exame que permite a visualização em tempo real de qualquer órgão ou tecido do corpo. Está baseada na aplicação de ondas mecânicas as quais resultam da propagação de uma perturbação do meio. As ondas mecânicas podem ser transversais (perpendicular à direção em que a onda se propaga) e longitudinais (paralelo à direção de propagação da onda). As ondas sonoras relatam a compressão e a dilatação da densidade do ar, pois ocorrem variações periódicas de pressão em cada ponto do espaço por onde a onda sonora se propaga. Entre outras aplicações, temos a datação radioativa com o Carbono-14 (C-14, radioativo). Todos os seres vivos são formados por compostos orgânicos os quais possuem uma cadeia carbônica e assimilam uma quantidade média de Carbono-14 todos os dias. Como este é instável, o ser vivo acaba por manter uma quantidade constante desse elemento. Após o organismo morrer, a proporção desse radioisótopo diminui. Como a meia-vida do C-14 é cerca de 5730 anos, esse é um bom mecanismo para medir a idade de fósseis. 104 Unidade III 8.4 Radioproteção A ideia de proteção contra as emissões radioativas surgiu um período após as descobertas sobre os raios X e emissões do rádio. Isso ocorre porque as radiações não eram percebidas pelo ser humano; contudo, as exposições continuadas levaram à radiodermites ou até mesmo à morte, caso a exposição tenha ocorrido por um período prolongado. Assim, um pensamento sobre proteção radiológica teve início. Foi o engenheiro Wolfram Fuchs que lançou as primeiras diretrizes sobre proteção radiológica. Por outro lado, o estabelecimento de procedimentos de diagnóstico por imagem realçou a necessidade de métodos dosimétricos para estimar riscos à saúde do paciente que é submetido a um tipo de exame utilizando radiações ionizantes. Esta motivação apresentou correlação com a necessidade de estabelecer um equilíbrio entre o risco e o benefício. As Diretrizes Básicas de Proteção Radiológica da CNEN apontam que uma intervenção somente se justifica quando ocorre um benefício maior que o dano, considerando os fatores de saúde, sociais e econômicos. A redução dos efeitos da radiação nos trabalhadores tem início pela avaliação de risco, pelo planejamento das atividades a serem desenvolvidas e pela utilização de instalações e de práticas corretas. Existem três fatores básicos de radioproteção que devem ser usados para minimizar a dose de radiação: o tempo, a blindagem e a distância. 1º) Tempo: para restringir a dose de radiação, o tempo de permanência em uma área com radiação deve ser o menor possível. O aumento do período na área acarreta aumento de dose, pois a dose recebida (D) é proporcional ao tempo (t) de exposição e à velocidade (v) da dose (D = t.v). Deve-se trabalhar o mais rápido possível na manipulação de fontes de radiação, com o planejamento e treinamento adequado e usando apenas o número necessário de trabalhadores para a tarefa. 2º) Distância: para limitar a dose de radiação, a distância de uma área com radiação deve ser a maior possível, pois a intensidade da radiação decresce com o quadrado da distância. A distância apresenta um forte efeito na redução da dose. Figura 87 – Exemplo de distância como um importante fator de proteção radiológica 105 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS 3º) Blindagem: as blindagens devem ser usadas sempre que possível. No caso de blindagens de raios X e gama, usa-se geralmente o chumbo. As incumbências incluem manipular material radioativo atrás do anteparo, usar avental de chumbo, transportadores de seringa sempre que for feito o transporte de doses e usar o protetor de seringa. A maioria dos aventais de chumbo (plumbíferos) comerciais oferecem proteção satisfatória, com espessura de 0,25 mm e 0,5 mm. Lembrete Os EPIs são equipamentos de proteção individual, enquanto os EPCs definem os equipamentos de proteção coletiva. plástico Blindagem chumbo concreto O material de blindagem deve ser adequado para o tipo de radiação. Por exemplo: 1 cm de plástico blindará completamente toda a radiação beta Chumbo e concreto podem ser usador como blindagem para as radiações X e gama Figura 88 – Exemplo de blindagem como um importante fator de proteção radiológica Para diminuir a grandeza das doses individuais, o número de trabalhadores e pessoas expostas e a probabilidade de exposições acidentais, equipamentos de proteção (EPCs e EPIs) são fundamentais. Dosímetros são dispositivos cuja função é mensurar a exposição de um indivíduo à radiação (uso individual, identificado pelo nome). Eles são constituídos por material tecido-equivalente capaz de monitorar a dose de radiação externa. Em algumas aplicações, é recomendado o uso de mais de um dosímetro, posicionado nas regiões mais expostas (tórax e punho, por exemplo). Pode-se recomendar, ainda, o uso de um dosímetro por fora e de outro por dentro do avental plumbífero. Estes devem ser utilizados de acordo com as recomendações do responsável pela proteção radiológica. Os dosímetros individuais não oferecem proteção contra a radiação, apenas registram as doses que o usuário recebeu. O controle das doses nos trabalhadores deve considerar monitoramento periódico para assegurar que as rotinas estejam sendo executadas de forma satisfatória. O Princípio Alara (as low as reasonably achievable): as doses de radiações deverão ser mantidas “tão baixo quanto razoavelmente exequivel” para pacientes e trabalhadores. 106 Unidade III Em 1978, ocorreu o acidente com o Césio-137 em Goiânia. Em situações de emergência como essa, as medidas protetoras importantes são a abrigagem, a evacuação e a administração de radioprotetor. A abrigagem determina a permanência no interior de prédios para reduzir a exposição externa à contaminação presente no ar ou em superfícies. A evacuação determina a saída de pessoas para fora (residência, trabalho ou lazer) do raio de atuação da radiação, em período curto de tempo. Podendo-se administrar iodo estável. Resumo Iniciamos a unidade estudando, construindo e interpretando os gráficos. A representação em gráficos é importante pois permite uma ideia imediata das relações das grandezas observadas, possibilitando responder às questões de diferentes áreas e disciplinas. Para isso, precisamos conhecer o plano cartesiano que consiste em dois eixos perpendiculares, sendo o horizontal chamado de eixo das abscissas (X) e o vertical, de eixo das ordenadas (Y) que se cruzam na origem (ponto O). Para a construção de gráficos faz-se necessário definir quais grandezas os dois eixos representarão.E também a escala em cada um dos eixos, considerando-se as correspondências entre eles (X, Y). Neste certame, temos gráfico de colunas (retângulos verticais), barras (retângulos horizontais), gráfico de linha e gráfico em setores (pizza). Posteriormente, passamos a estudar a radioatividade, cuja história inicia-se em 1896, com Henri Becquerel. Os radioisótopos são todos os isótopos de todos os elementos químicos capazes de emitir partículas e ondas eletromagnéticas. Lembrando-se de que os átomos podem ser subdivididos em: os prótons, os nêutrons e os elétrons. O número de prótons determina o número atômico (Z) e a soma dos prótons e nêutrons é o número da massa (A) desse elemento. Os radioisótopos se individualizam pelo seu número de massa e possuem um esquema bem determinado de emissões que podem ser partículas alfa, beta, ondas eletromagnéticas do tipo raios X ou gama. O objetivo é transformar um átomo instável em outro mais estável. A unidade utilizada é o Becquerel (Bq). A meia-vida é o tempo necessário para que a atividade de uma amostra de radioisótopo chegue à metade da atividade inicial. Existem elementos cuja meia-vida é curta; outros, longa. A unidade de energia é o elétron-volt (eV). Um átomo com núcleo instável é chamado de radionuclídeo. A forma como ele transfere essa energia em busca de estabilidade é denominada radioatividade, a qual pode ser natural sob a forma de radiação cósmica e terrestre; ou artificial, com a construção de reatores e aceleradores de 107 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS partículas. Entre as radiações produzidas, temos as emissões alfa (α) que apresentam natureza corpuscular, massa igual a 4, carga +2, velocidade de 20.000 km/s, baixa penetrância e um elevado poder de ionização. A radiação beta (β) apresenta natureza corpuscular, massa similar à de um elétron, carga positiva ou negativa. É composta por 95% da velocidade da luz, seu poder de penetração é 50 a 100 vezes maior em relação à partícula alfa e o poder de ionização é menor que alfa. A radiação gama (γ) origina-se do núcleo atômico, não apresentando carga nem massa. É uma onda eletromagnética, um grande poder de penetração, que se propaga à velocidade da luz no vácuo, com poder de ionização menor que as emissões corpusculares. Os raios X são radiações eletromagnéticas, sem carga e massa, cuja origem ocorre na eletrosfera, e têm poder de penetração elevado. O poder de ionização pode variar segundo a potência do aparelho utilizado, visto que este depende da voltagem. As radiações podem ser classificadas como ionizantes ou não ionizantes, e como elas reagirão com a matéria. As radiações não ionizantes podem promover excitação dos átomos com os quais entra em contato, sem causar ionização desse átomo. As radiações ionizantes apresentam frequência muito elevada, por transportarem uma grande quantidade de energia; assim, têm a capacidade de extrair elétrons, tornando a matéria irradiada, carregada positivamente. Os efeitos biológicos podem ser classificados como diretos ou indiretos. Os efeitos diretos acontecem pela ação da radiação diretamente sobre moléculas biológicas, como proteínas e ácidos nucleicos (DNA e RNA), alterando sua configuração, e promovendo perda de função. Os danos ao nível do DNA são de extrema importância, já que podem interferir na produção de proteínas, funções estruturais, na divisão celular e até na promoção do câncer. Os efeitos indiretos ocorrem pela interação dos elétrons com a água, molécula mais abundante em um organismo vivo, a qual participa de quase todas as reações metabólicas; e não pela atuação direta nas estruturas celulares. Essa interação, produz radicais livres de oxigênio, podem interagir quimicamente entre si, com moléculas próximas e reagir com as estruturas celulares. A radiossensibilidade é intensidade e a velocidade de resposta dos tecidos à irradiação e está relacionada à origem do tecido, alguns são originalmente mais sensíveis que os outros. A dose absorvida (Gy) e a dose equivalente (Sv) são grandezas dosimétricas, relacionadas à quantia de radiação que um material foi submetido e absorvido, respectivamente. As radiações propiciam um uso importante no diagnóstico através de exames como a radiografia, tomografia computadorizada, PET scan, 108 Unidade III ressonância magnética e medicina nuclear. A radiação ionizante através da radioterapia e braquiterapia são tratamentos importantes para o câncer. Existem três fatores de radioproteção básicos que devem ser usados para minimizar a dose de radiação: o tempo, a blindagem e a distância. Dosímetros são dispositivos individuais constituídos por material tecido-equivalente capaz de monitorar a dose de radiação externa. O princípio Alara: as doses de radiações deverão ser mantidas “tão baixo quanto razoavelmente exequivel” para pacientes e trabalhadores. A interação da radiação com a matéria é frequentemente acompanhada por lesões nos tecidos normais e um declínio na qualidade de vida. Em emergências, as medidas protetoras importantes são a abrigagem, a evacuação e a administração de radioprotetor. Exercícios Questão 1. (UNIPÊ 2017, adaptada) O ultrassom ou o ecossonografia é uma técnica médica que reproduz imagens e utiliza ondas sonoras com frequências muito elevadas e comprimentos de onda muito pequenos, as quais são enviadas para explorar o corpo humano, que tem como principal constituinte a água. Os “ecos” vindos do interior do organismo são usados para criar uma imagem. Considerando-se um ultrassom com frequência igual a 5,0 MHz e o comprimento de onda igual a 0,3 mm, é correto afirmar que, em um intervalo de tempo de 2,0 ms, o ultrassom percorre no interior do corpo humano uma distância média, em m, igual a: A) 1,0. B) 2,0. C) 3,0. D) 4,0. E) 5,0. Resposta correta: alternativa C. Análise da questão Dados da questão: Frequência das ondas: f = 5,0 MHz = 5 . 106 Hz 109 BIOFÍSICA APLICADA ÀS CIÊNCIAS BIOMÉDICAS Comprimento de onda: λ = 0,3 mm = 0,3 .10–3 m Intervalo de tempo: Δt = 2,0 ms = 2 .10–3 s O primeiro passo é a determinação da velocidade de propagação da onda, e isso será possível por meio do princípio fundamental da ondulatória. V = λ . f V = 0,3 .10 – 3 . 5 . 106 V = 1,5 . 103 m/s = 1500 m/s A distância percorrida no corpo humano pode ser determinada pela equação da velocidade média. V = Δs ÷ Δt 1500 = Δs ÷ 2 .10–3 Δs = 1500 . 2 .10–3 Δs = 3000 . 10–3 = 3 m Questão 2. (VUNESP 2013, adaptada) Os fatores básicos para a proteção contra as fontes externas de radiação são: A) tipo de radiação, blindagem e dose de exposição. B) tempo, distância e blindagem. C) distância, dose de exposição e tipo de contato. D) tempo, tipo de contato e tipo de radiação. E) tempo, dose de exposição e blindagem. Resolução desta questão na plataforma. 110 FIGURAS E ILUSTRAÇÕES Figura 5 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1998. p. 449. Figura 6 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1998. p. 447. Figura 7 HENEINE, I. F. Biofísica básica. São Paulo: Atheneu, 2010. p. 14 Figura 8 HENEINE, I. F. Biofísica básica. São Paulo: Atheneu, 2010. p. 15. Figura 9 HENEINE, I. F. Biofísica básica. São Paulo: Atheneu, 2010. p. 17. Figura 10 HENEINE, I. F. Biofísica básica. São Paulo: Atheneu, 2010. p. 18. Figura 11 HENEINE, I. F. Biofísica básica. São Paulo: Atheneu, 2010. p. 18. Figura 12 HENEINE, I. F. Biofísica básica. São Paulo: Atheneu, 2010. p. 19. Figura 13 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1998. p. 209. Figura 14 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1998. p. 19. 111 Figura 15 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro:Guanabara Koogan, 1998. p. 228. Figura 16 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1998. p. 230. Figura 17 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1998. p. 225. Figura 18 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1998. p. 248. Figura 19 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1998. p. 245. Figura 20 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 14. Figura 21 AIRES, M. Fisiologia. 3. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008. p. 116. Figura 22 AIRES, M. Fisiologia. 3 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008. p. 117. Figura 23 OKUNO, E.; CALDAS, I. L.; CHOW, C. Física para Ciências Biológicas e Biomédicas. São Paulo: Harbra, 1982. p. 337. Figura 24 HENEINE, I. F. Biofísica básica. São Paulo: Atheneu, 2010. p. 126. 112 Figura 25 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 46. Figura 26 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 49. Figura 27 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 49. Figura 28 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1998. p. 54. Figura 29 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1998. p. 55. Figura 30 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1998. p. 56. Figura 31 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de Fisiologia Médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 46. Figura 32 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de Fisiologia Médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 53. Figura 33 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de Fisiologia Médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 60. Figura 34 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de Fisiologia Médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 58. 113 Figura 35 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de Fisiologia Médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 556. Figura 36 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de Fisiologia Médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 560. Figura 37 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de Fisiologia Médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 68. Figura 38 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Fisiologia humana e mecanismos das doenças. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1998. p. 67. Figura 39 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 65. Figura 40 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 61. Figura 41 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 86. Figura 42 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 87. Figura 43 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 124. Figura 44 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 124. Figura 45 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 127. 114 Figura 46 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de fisiologia médica. 11. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2006. p. 127. Figura 47 GUYTON, A. C.; HALL, J. E. 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Questão 31. 121 122 123 124 Informações: www.sepi.unip.br ou 0800 010 9000
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