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RAIOS-X Adriana Fontes – Departamento de Biofísica e Radiobiologia adri-fontes@uol.com.br NÍVEIS DE ENERGIA Pelo modelo de Bohr, só determinadas órbitas são permitidas. Diz então que os raios dessas órbitas são quantizados (discretos). Cada órbita corresponde a um nível de energia e está associada a um número n que é chamado número quântico principal. Radiação eletromagnética é emitida ou absorvida quando o elétron faz transição entre órbitas (níveis de energia). Einicial - Efinal = energia da radiação = energia do fóton (hc/λ) Para o átomo de Hidrogênio: E = (- 13.6 / n2). Ou seja: Efinal – Einicial = -13.6 { (1/ nf)2 – (1/ni)2 } emissão absorção NÍVEIS DE ENERGIA O modelo básico do átomo é o mesmo para todos os elementos. Cada átomo possui uma série de níveis de energia que podem ser ocupados por seus elétrons. Quando um átomo absorve ou emite energia em forma de radiação eletromagnética, o elétron muda de um nível para outro. Como as órbitas e consequentemente os níveis de energia são quantizados (discretos), o átomo somente é capaz de absorver ou emitir quantidades discretas de energia. Einicial - Efinal = energia da radiação = energia do fóton (hc/λ) RAIOS-X Os raios-X foram descobertos pelo físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen em 1895. Ele chamou a “nova radiação” de Raio-X pois sua natureza era desconhecida. Desde então tem sido amplamente utilizado na Medicina, na indústria e em pesquisas científicas. Após descobrir o Raio-X, Röntgen radiografou a mão de sua esposa (Anna Bertha Ludwig). Essa pesquisa rendeu-lhe o Prêmio Nobel em Física em 1901. O raios-X é radiação eletromagnética que podem ser produzidos basicamente de duas maneiras: 1. Quando um elétron incidente colide com o material e um elétron do material é removido das camadas mais internas (camada K com n=1), um eletrón da camada mais externa irá ocupar o seu lugar e 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. PRODUÇÃO DE RAIOS-X núcleo elétron elétron PRODUÇÃO DE RAIOS-X 2. 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. A radiação gerada desse modo é conhecida como radiação de frenamento ou bremsstrahlung. 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. Assim, dessa forma se tem a produção de um espectro contínuo de raios-X. Se um elétron incidente perder toda a sua energia pelo frenamento. Toda sua 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. Assim: K = eV = E = hc/λ. PRODUÇÃO DE RAIOS-X comprimento de onda (nm) I n t e n s i d a d e característico bremsstrahlung Por isso que o gráfico não começa no zero. Esse valor não depende do material, só depende do elétron incidente. Quanto maior é a energia perdida pela frenagem, menor é o comprimento de onda. Quanto menor é a energia perdida, maior é o comprimento de onda do Raio-X. SISTEMA DE PRODUÇÃO DE RAIOS-X Componente básico: Tubo de Raio-X que contém (1) emissor de elétrons (filamento de tungstênio aquecido – chamado catodo – é o polo negativo), (2) anodo (de cobre - polo positivo) que contém material ou alvo com o qual os elétrons vão colidir (também chamado anodo e é geralmente feito de tungstênio ou molibidênio). A parte externa do tubo é feita de pyrex. 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 bremsstrahlung). SISTEMA DE PRODUÇÃO DE RAIOS-X 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 numa área menor do anodo. “Princípio da linha de foco” no anodo. Há também dois tipos de anodo (fixo e giratório). Efeito anódico. 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 Raio-X são emitidos (“ponto focal” pequeno -> melhor a nitidez da imagem.) anodo Raio-X foco janela filamento SISTEMA DE PRODUÇÃO DE RAIOS-X Num tubo de raios-X a maioria dos elétrons incidentes sobre o alvo perde sua energia cinética de modo gradual nas inúmeras colisões convertendo-as em calor. Esta é a razão pela qual tanto o catodo como o anodo são feitos de material de alto ponto de fusão. A temperatura é tão alta que ainda precisam métodos especiais de resfriamento. No interior do tubo de os componentes estão a vácuo para aumentar a eficiência de produção de Raio-X. Se não houver vácuo, os elétrons, colidirão com partículas de gás diminuindo a produção de Raio-X e aumentando muito calor. INTERAÇÃO DO RAIO-X COM A MATÉRIA Os raios-X não interagem (são absorvidos) da mesma forma pelos diferentes materiais (corpo). É por essa razão que se consegue, por exemplo, radiografar partes do corpo para diagnóstico. Elementos pesados (tais como cálcio e bário) são melhores absorvedores de Raio-X que elementos leves como hidrogênio, carbono e oxigênio. Portanto, é por isso que estruturas como ossos aparecem nitidamente em radiografias. 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? INTERAÇÃO DO RAIO-X COM A MATÉRIA Quais são os mecanismos pelos quais os Raios-X são espalhados ou absorvidos pela matéria? 1. Efeito fotoelétrico – isso que significa absorver o Raio-X ou em outras palavras é a causa da absorção. O efeito fotoelétrico só ocorre em materiais de grande número atômico (por isso o Raio-X é eficiente para se visualizar ossos que são justamente formados de cálcio). O efeito fotoelétrico também é mais eficiente em uma determinada faixa de energia do Raio-X. fóton núcleo elétron INTERAÇÃO DO RAIO-X COM A MATÉRIA 2. Espalhamento Compton – só espalha o Raio-X. Não colabora em nada para a boa imagem médica. Só atrapalha. Também é mais eficiente em uma determinada faixa de energia do Raio-X. 3. Transmissão – o Raio-X será transmitido pelo tecido mole com baixo número atômico. fóton fóton elétron 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. Energia (KeVx103) fotoelétrico compton N ú m e r o A t ô m i c o RADIAÇÃO IONIZANTE O raio-X é uma radiação ionizante. Radiação ionizante é toda aquela que ioniza o átomo, ou seja, que arranca elétrons do átomo (efeito fotoelétrico). Por isso, toda a radiação ionizante é prejudicial ao organismo. Os danos são cumulativos. A taxa de exposição e a área exposta afetam na magnitude dos efeitos. Os efeitos são a curto(náuseas, vômitos, infecções fortes, hemorragia, perda de cabelo, diarréia) e longo prazo causado por grandes exposições ou várias exposições (efeitos genéticos – expressa-se nas gerações futuras e efeitos somáticos câncer, anormalidade no embrião, indução de cataratas, redução da vida média). Proteção e dosímetros. MAMOGRAFIA Uso do Raio-X para se visualizar um tecido mole – a mama. Para tanto é preciso se 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 freqüência. INTERAÇÃO DO RAIO-X COM A MATÉRIA A intensidade dos raios-X – que é proporcional ao número de fótons do feixe – decresce quando os mesmos atravessam certos meios. Esse fato se chama atenuação, que é devida a absorção e espalhamento do feixe. Para um feixe monoenergético esse decréscimo pode ser descrito por: I = I0 e-µx - I é a intensidade após a passagem, I0 é a intensidade inicial, x é a espessura linear do material e µ é o coeficiente de atenuação linear do meio que depende do meio e também da energia da radiação incidente. - A CRS é a espessura do material necessária para reduzir a intensidade do Raio-X pela metade do valor original (X = 0.693/µ). Medir o CSR é o método mais prático de avaliação de qualidade de radiação. Para aplicação médica a voltagem no tubo pode ser ajustada, altas voltagens producem mais energéticos ( já que K = eV α E – isso afeta a qualidade do feixe). A corrente no tubo (número de elétrons) pode ser ajustada para controlar o número de fótons de raio- X criados por unidade de tempo – isso afeta a quantidade. OUTRAS INFORMAÇÕES 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 como veremos adiante 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 irá afetar a qualidade do feixe incidente. Grades e outros fatores de imagem. DETECÇÃO DO RAIO-X e FORMAÇÃO DA IMAGEM O raio-X -> paciente -> filme fotográfico -> imagem. A utilização direta de filmes na formação de imagem é uma técnica ineficiente. Assim, na maioria dos exames, telas intensificadoras (ecrans) 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. FLUOROSCOPIA, ANGIOGRAFIA, ABREUGRAFIA Fluoroscopia: A principal função da fluoroscopia é realizar estudos dinâmicos. Ela é usada para se visualizar o movimento de estruturas internas e fluídos. Uma radiografia pode ser realizada caso se observe alguma alteração. A visualização pode ser sobre uma tela tipo ecran ou principalmente sobre um televisor. Abreugrafia: A abreugrafia foi desenvolvida pelo cientista brasileiro Manuel de Abreu em 1936 e tem sido empregada no controle de Turbeculose no Brasil. O feixe após passar pelo paciente também incide em um anteparo fluorescente. É um ario-X do pulmão e a exposição é 5 vezes maior que para uma radiografia normal. Angiografia: Usada para se visualizar o coração, principalmente quando se vai fazer um 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. RAIOS GAMA ÁTOMOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS “RADIAÇÃO” ISÓTOPOS NÚCLEONÚCLEO ELÉTRONS 1. MESMO NÚMERO DE PRÓTONS -> MESMAS PROPRIEDADES QUÍMICAS. 2. RADIONUCLÍDEO TEM AS MESMAS PROPRIEDADES QUE SEUS ISÓTOPOS ESTÁVEIS. 3. RADIONUCLÍDEOS PODEM SER NATURAIS OU ARTIFICIAIS. Raios Gama Raios X radiações alfa (α), beta (β) e gama (γ) núcleo RAIOS GAMA β− β+ gama (γ) aniquilação elétron/pósitron (cada par -> 2 raios gama) Radiação α e β são partículas e radiação γ é radiação eletromagnética assim como raio-X. interação Matéria / Radiação γ : efeito fotoelétrico 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. TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA Adriana Fontes – Departamento de Biofísica e Radiobiologia adri-fontes@uol.com.br TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA A Tomografia Computadorizada em duas dimensões é um exame no qual se vê uma fatia (tomos) do paciente. Existem essencialmente duas categorias de Tomografia (ambas utilizam radiação ionizante): 1. Tomografia por Transmissão (CT) que usa raio-X. 2. Tomografia por Emissão (ECT -> PET SPECT) que usa raios gama. A Tomografia por Transmissão CT dá enfâse ao estudo anatômico e a Tomografia por Emissão ECT ao estudo fisiológico. 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. AQUISIÇÃO E RECONSTRUÇÃO DA IMAGEM TOMOGRAFIA POR TRANSMISSÃO O desenvolvimento da Tomografia por Transmissão a partir de 1970 revolucionou a radiologia médica. Pela primeira vez, médicos foram capazes de obter imagens de alta qualidade de seções internas do corpo. A primeira CT foi desenvolvida em 1970 na Inglaterra e com ela foi feita imagens do cérebro. A imagem foi adquirida em aproximadamente 5 minutos e foi reconstruída em 20 minutes. Os detectores não são filmes e então é preciso se reconstruir a imagem depois. Desde então, a tecnologia evoluiu dramaticamente e a CT se tornou um procedimento padrão. Hoje em dia, o exame de cada fatia é feito em 1 segundo e a imagem é reconstruída em 3 a 5 segundos. TOMOGRAFIA POR TRANSMISSÃO PRIMEIRA GERAÇÃO – GEOMETRIA DE FEIXE PARALELO Esta é a primeira e mais simples das CT. Medidas múltiplas do raio-X transmitido são obtidas usando um único feixe colimado e um detector. O feixe translada linearmente pelo paciente para obter as fatias. Depois, a fonte e o detector são rodadas por aproximadamente 1º e há novamente a translação. Isso é repetido até completar 180º. O exame é demorado (5 min por fatia). SEGUNDA GERAÇÃO – FEIXE ABERTO E MÚLTIPLOS DETECTORES A varredura foi reduzida em 30s com o uso do feixe aberto e do detector em forma de matriz linear. O movimento é também de translação e rotação. Mas o ângulo de rotação pode ser maior que resulta em um tempo menor para cada fatia. TERCEIRA GERAÇÃO – FEIXE ABERTO E MÚLTIPLOS DETECTORES ROTATÓRIOS Foi introduzida em 1976. Um feixe aberto é rodado por 360º ao redor de um centro. Não há translação. Mas, 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 1s. QUARTA GERAÇÃO – FEIXE ABERTO E MÚLTIPLOS DETECTORESFIXOS 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. 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. TOMOGRAFIA POR EMISSÃO raios gama detector PET X SPECT PET SPET núcleo gama RADIOFÁRMACO O radionuclídeo ou radioisótopo é injetado no paciente como um íon incorporado em componentes naturais ou moléculas farmacêutícas (os fármacos), daí o nome radiofármaco. A ECT procura descrever a localização e a intensidade dos radionuclídeos na região do corpo em estudo. O exame visa a determinação quantitativa das mudanças químicas dos radiofármacos, bem como os aspectos funcionais por eles revelados. Observando-se a concentração, as mudanças e o fluxo dos radiofármacos é possível se tirar conclusões sobre determinado processo fisiológico. Como a emissão vem da distribuição interna do radiofármaco, a informação clínica dessas imagens estão relacionadas com os processos bioquímicos e fisiológicos nos quais o radiofármaco está envolvido. TOMOGRAFIA POR EMISSÃO TOMOGRAFIA POR EMISSÃO A informação funcional ou metabólica obtida através da imagem por emissão é a maior característica que diferencia esta modalidade das outras que basicamente fornecem informaçãoes anatômicas e estruturais. A introdução em 1946 do uso de radioisótopos (131I) para tratar a tireóide e em poucos anos mais tarde a reconstrução da imagem da tireóide usando esses radioisótopos marcam o início da medicina nuclear. Foi a descoberta do 99mTc em 1937 e o desenvolvimento do gerador de 99mTc em 1964 que levaram ao crescimento da medicina nuclear. Para a imagem nuclear o tecnésio se tornou o isótopo universal porque ele tem as características ideais (é fácil de produzir, 6 horas de meia-vida, 140 KeV é a energia da radiação gama) e também tem versatilidade química podendo se ligar com variadas moléculas. O tecnésio e o molibidênio são produzidos com baixo custo, outros radioisótopos requerem o cíclotron que torna a produção bem mais cara e menos utilizável. TOMOGRAFIA POR EMISSÃO A duração do exame também é limitada pelo decaimento dos isótopos – alguns têm uma meia-vida de 10 a 20 min – e pelas mudanças na distribuição dos radiofármacos no corpo, o que pode acontecer em poucos minutos. A curta meia-vida dos radionuclídeos usados em PET (da ordem de minutos) requer que eles sejam produzidos em local próximo ao da realização de exame. Os PET-scan normalmente são acompahandos de cíclotrons. A atividade de um radioisótopo é a taxa de decaimento por unidade de tempo. Considerando uma amostra de N átomos radioativos, a atividade é porporcional a N e definida como: A = - DN/Dt = λλλλ N onde λλλλ é a constante de decaimento 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 = λλλλ T1/2 RADIOFÁRMACO SPECT: (1) 67Ga – 200keV – 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 PET: (1) 11C – 20.4 min – (2) 13N – 10 min – (3) 15O – 2.07 min – (4) 18F – 110 min – (5) 82Rb –1.25 min Características de um radiofármaco ideal: (1) acumulação e retenção no orgão alvo (2) não acumular nos tecidos que não são alvos (3) sem efeitos colaterais (4) baixo custo (5) fácil preparação e (6) discriminação entre diferentes tipos de doenças similares (alta especificidade). ECT X TCT A estatística de ECT é mais pobre A tomografia de emissão é semelhante a tomografia de transmissão, a imagem também é reconstruída a partir de projeções no plano de interesse em torno da região que se deseja examinar. Os detectores são dispostos ao redor do paciente de forma que sejam contados os fótons provenientes de cada direção. raios gama detectorInteração da radiação com a matéria -> mesmo que TCT. A energia dos fótons liberados pelos radionuclídeos usados em ECT varia de 80 e 511 KeV em SPECT. Para PET o fóton tem energia de 511 keV. Em TCT o fóton tem energia ente 90 e 120 keV. ECT X TCT A estatística de ECT é mais pobre raios gama detector Não é possível se determinar exatamente o local onde o fóton foi emitido, apenas a direção – uma linha de resposta que passa pelo local de emissão (assumindo que o fóton permanece em linha reta entre a emissão e detecção). Como os detectoes cobrem toda a volta do paciente, tem-se várias linhas de resposta. O dado final é o número de fótons detectado em cada linha que será usado para a reconstrução da imagem. SPECT Quando se realiza uma tomografia deseja-se detectar apenas fótons que tenham seguido em linha reta entre o local de emissão e o detector. Para evitar que os fótons indesejados (que foram espalhados) façam parte dos dados, são usados colimadores – que funcionam como “lentes” para que seja possível se olhar apenas para a região de interesse. Em SPECT são usados colimadores de chumbo para absorver fótons indesejáveis. colimador PET Em PET, ao invés de colimador de chumbo, é usado um circuito de coincidência para detectar os raios gama provenientes dos isótopos. Assumindo que um anel de detectores é colocado em torno da área de interesse do paciente, quando dois detectores são atingidos ao mesmo tempo, sabe-se que o radionuclídeo emissor está em algum lugar na linha entre esses dois cristais. Na verdade, os eventos são considerados simultâneos quando estão dentro de um intervalo de tempo, chamado janela de tempo, que pode variar entre 6 e 12 ns. raios gama detector PET Esse sistema dá margem para coincidências aleatórias, ou seja, dois eventos independentes que ocorrem em instantes muito próximos, porém em locais distintos, são considerados como se fossem do mesmo evento. Também pode haver erro se um dos fótons sofrer espalhamento no caminho, ele pode não ser detectado devido a janela de tempo. PET em geral é mais eficiente, mas tem a questão dos radionuclídeos. Em PET o radioisótopo é 18F. Imagens por emissão são reconstruídas pela cooperação entre os componentes: (1) colimador ou janela de coincidência (2) o sistema de detecção (gama camera) (3) o circuito de posicionamento. Anger desenvolveu a gamma camera em 1958. O conceito inicial permaneceu basicamente o mesmo. O número de fotomultiplicadoras depende do fabricante varia de 37 to 91. ECT Os fótons de raio gama são emitidos e passam pelos filtros. A detecção começa com a interação entre o raio gama e o cristal que gera a cintilação. Esses fótons de cintilação são então captados pela fotomultiplicadora. A posição pode ser exatamente detectada pelo circuito de posicionamento. ECT A ECT já foi aplicada com sucesso para a maioria dos órgãos do corpo (cérebro, osso, coração, rim, pulmão, neuroreceptor) assim como locais de inflamação, arterioesclerose, trombose e cancer. O futuro da medicina nuclear está relacionado aos radiofármacos – depende mais do desenvolvimento de novas moléculas para carregar o radioisótopo para a aplicação sem comprometer a atividade biológica da molécula e do local do que de novos radioisótopos. BIBLIOGRAFIA: (1) Physics with health science applications – Paul Peter Urone (2) Física para Ciências Biológicas – Emico Okuno (3) Intermediate Physics for Medicine and Biology (4) MedicalPhysics – Cammeron (5) Notas de aula (6) The Biomedical Engineering Handbook. (7) Standard Handbook of Biomedical Engineering (8) Biomedical Technology and Devices Handbook. (9) Notas de aulas. Site interessante sobre PET: http://www.crump.ucla.edu/software/lpp/
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