A Física na Engenharia Biomédica - Raios X

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FÍSICA NA ENGENHARIA BIOMÉDICA – RAIOS-X
Bruno Oppenheimer Marques
Matheus Henrique da Silva
Mauro Sérgio Moreira Pereira
Moisés Machado Bitencourt
Rodolfo Rangel Rodrigues
RESUMO
O presente artigo tem a proposta de apresentar os conceitos físicos envolvidos na formação dos raios-X. Por meio de vasta pesquisa bibliográfica, foi exposto o modo de produção desses raios, assim como seu modelamento matemático, aplicações e riscos. Pôde-se observar que os raios-X são importantes instrumentos para o diagnóstico de diversas doenças, sendo assim um relevante objeto de pesquisas, tendo em vista seu aprimoramento técnico e redução de riscos à saúde humana.
Palavras-chave: Diagnóstico de Doenças. Engenharia Biomédica. Radiologia. Raios-X.
Introdução
Este artigo foi elaborado dentro da concepção do XX Seminário de Física do Instituto Nacional de Telecomunicações (INATEL) e correlaciona conceitos da física com as bases tecnológicas dos raios-X usados no diagnóstico de doenças. Os raios-X são amplamente utilizados na medicina para diagnóstico de males de todos os tipos. De acordo com DIMENSTEIN: "Mais de um século após sua descoberta por W.C. Roentgen, os raios-X ainda ocupam lugar de destaque no arsenal de diagnóstico por imagens" (2002,7). O principal objetivo é exibir os fundamentos essenciais dos raios-X e assim fazer um paralelo com suas propriedades físicas e aplicações no reconhecimento das mais variadas enfermidades do corpo humano.
1.1.O raio-X
1.1.1. Princípio de Funcionamento
 	O raio-X é radiação eletromagnética (frequência de 1017 a 10 21 Hz) composta por fótons de alta energia. Nos tubos de raios-X dedicados à radiografia de diagnóstico, esta radiação é produzida quando um feixe de elétrons de alta energia cinética (acelerados por uma grande diferença de potencial - entre 25 e 150 kV) é apontado totalmente para um pequeno ponto focal metálico. De acordo com Experiência do Laboratório de EB-208- Tecnologias em Equipamentos Médicos II, realizada por alunos do curso de Engenharia Biomédica do INATEL: “A rápida desaceleração destes elétrons ao colidir com o alvo metálico produz uma grande quantidade de calor e uma pequena parte da energia (1%) é convertida em um espectro contínuo de raios-X chamada radiação Bremsstrahlung.”
	Os elétrons são irradiados por emissão termiônica pelo aquecimento de um filamento de tungstênio (W) em um eletrodo carregado negativamente (cátodo).
	Desta forma, os elétrons livres são atraídos pelo alvo metálico carregado positivamente (ânodo). A Figura 1 demonstra o processo de geração dos raios-X.
Figura 1 – Representação esquemática da geração dos raios-X. INATEL, Experiência do Laboratório de EB-208- Tecnologias em Equipamentos Médicos II, p.1.
Segundo experiência do laboratório de EB-208 (INATEL): 
“ É possível que os elétrons incidentes ionizem átomos no anodo metálico, criando lacunas nas camadas mais internas (maior probabilidade de camadas K e L). Estas lacunas são rapidamente preenchidas por transições de elétrons de outras camadas, gerando uma emissão de radiação dependente do material do anodo, chamada de radiação característica.”		
Em um tubo de raios-X, o número de elétrons acelerados em direção ao ânodo depende da temperatura do filamento e da energia máxima de cada fóton produzido pelos feixes de raio-X. A corrente elétrica do tubo é medida em miliampères (mA).
A dose de radiação é a quantidade de energia transferida pelo feixe de raios-X. É determinada pelo produto da energia média dos fótons, pela corrente elétrica no tubo e pelo intervalo de tempo de exposição.
	Uma vez que os raios-X entram em contato com o paciente, os diferentes tecidos absorvem diferentes quantidades de radiação. Quanto maior a diferença de absorção entre os tecidos, maior o contraste da imagem.
	De acordo com experiência do laboratório de EB-208 (INATEL): 
“A radiografia convencional oferece alto contraste entre ar, ossos e músculo. Consequentemente, a radiografia é eficiente na representação de estruturas ósseas ou em imagens do pulmão. No entanto, oferece pouco contraste na distinção de tecidos "moles" (sangue e músculos). De fato, para tornar vasos sanguíneos visíveis aos raios-X são utilizados agentes de contrastes (materiais com alta absorção, que são injetados na corrente sanguínea). “
2. Física dos raios-X e uso na área médica
	Os raios-X possuem aspectos físicos relevantes como: capacidade de ionizar átomos e romper ligações moleculares e capacidade de sondagem microscópica. Sua maior importância está em sua utilização em procedimentos médicos tais como: radiografias, tomografias computadorizadas, fluoroscopia e radioterapias. Além disso, seu uso está presente na área da segurança e em diversas outras que não tem relevância com o presente estudo.
 2.1. Unidades de medida
	O Coulomb por quilograma () é a unidade do Sistema Internacional de Unidades (SI) para a exposição à radiação ionizante. É definido como a quantidade de raios-X ou gama de modo que os elétrons emitem por quilograma de ar na temperatura e pressão padrão, produz íons carregando 1 Coulomb de carga elétrica (MAHER, 2004).
	O roentgen (R) é uma unidade obsoleta de exposição. 1 roentgen = 2.58x.
	O gray (Gy) é a unidade SI para dose absorvida. Representa a quantidade energia ionizante absorvida por unidade de massa, tal que 1 Gy = 1. O gray substitui uma unidade obsoleta chamada rad. 100 rad = 1 Gy = 1 .
	O sievert (Sv) é a unidade SI para representar dose equivalente e também dose efetiva. Basicamente, avalia o impacto da radiação ionizante sobre o ser humano. Para a dose equivalente dos raios X, 1 Sv = 1 Gy.
 2.2. Usos na área médica
	A radiologia geral de diagnóstico foi a primeira técnica de diagnóstico por imagem e continua sendo hoje uma das mais importantes modalidades. Suas principais aplicações são em traumatologia e ortopedia (obtenção de imagens do crânio e do sistema esquelético) e estudo dos órgãos respiratórios. Outras modalidades de raios-X são utilizadas em cardiologia (angiografia), urologia, dosimetria óssea (medida da densidade óssea), mielografia (imagens da medula óssea) e neuroradiologia.
	As imagens em radiodiagnóstico são obtidas pela interação da radiação ionizante com os tecidos. A imagem formada é resultado da detecção de fótons de raios-X que não foram absorvidos durante a exposição do paciente à radiação. Desta forma, a radiografia consiste em uma imagem de transmissão, ou seja, é uma projeção plana do perfil espacial de absorção dos tecidos.
 2.3. Riscos
	A radiação dos raios-X diagnósticos estão numa faixa de 0,001 mSv para um raio X de um braço até 0,4 mSv para uma mamografia. Em 2008, UNSCEAR (The United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) publicou que recebemos em média 2,4 mSV de radiação natural em um ano. O limite para um público em geral é de 3,4 mSv até 4,4 mSv (CNEN/NE-3.01). Mas apesar dos procedimentos exporem a pessoa a uma radiação baixa, o raio X é considerado um agente cancerígeno pela Organização Mundial da Saúde (OMS). É estimado que 0,4% dos cancros nos Estados Unidos são causados por tomografia computadorizada segundo um estudo da Agência Internacional da Investigação do Cancro feita em 2007.
	O risco é ainda maior para recém-nascidos e bebês em gestação. De acordo com D'IPPOLITO e MEDEIROS:
“Quando o feto é exposto a doses superiores a 100 mGy, podem ocorrer retardo mental e redução de cerca de 30 pontos no quociente de inteligência (QI) para cada 100 mGy acima do limite superior tolerado (20,21). É importante lembrar, no entanto, que é muito difícil que em exames diagnósticos de rotina, mesmo quando realizados com campo de irradiação direto sobre o útero, o feto seja exposto a essas doses de radiação. ” (2005, 449)
 2.4. Proteção e segurança
	A proteção radiológica, segundo a Comissão nacional de Energia Nuclear (CNEN), é o conjunto de medidas que visam proteger o homem e o meio ambiente de efeitos indevidos causados por radiação ionizante. A proteção é tida em princípiosbásicos: justificação, otimização e limitação de doses individuais.
	A justificação será válida se, e somente se, houver benefício para a saúde do indivíduo ou benefício para a sociedade.
	A otimização implica que todo procedimento deve estar nos níveis mais baixos possíveis de radiação ionizante.
	As limitações das doses individuais devem sempre respeitar as normas de radioproteção de cada país.
	A blindagem e a redução do tempo de exposição são a maneira mais prática de se proteger de radiações ionizantes. Segundo SOARES, PEREIRA e FLÔR:
“A utilização da vestimenta de proteção radiológica, teoricamente, reduz 86% a 99% a dose absorvida. Na prática, a redução nos pacientes pode ser de 88% na radiologia convencional e chegar a 95% no exame tomográfico. Nos indivíduos ocupacionalmente expostos, a redução durante um cateterismo cardíaco é em torno de 90% e durante uma cirurgia ortopédica é de 75%.”(2011,97)
	A Tabela 1 demonstra um estudo sobre as reduções de dose de radiação durante uma tomografia computadorizada.
Tabela 1 - redução da dose de radiação ao utilizar proteção durante uma tomografia computadorizada
 2.5. Equações importantes
	Entraremos no mérito das equações	 usadas na radiologia intervencionista. De acordo com CANEVARO:
 "Em certas situações, interessa medir diretamente no paciente. Já para o controle de parâmetros técnicos, para a comparação de diferentes sistemas e para otimização, é preferível realizar medidas usando um fantoma padrão para simular o paciente. Em radiologia intervencionista, são requeridos instrumentos especiais cujo design e desempenho se ajustem às necessidades clínicas. É o caso, por exemplo, dos medidores do produto kerma-área. "(2009, 103)
Kerma (Energia cinética liberada por unidade de massa):
K= [Gy] (1)
	Onde K é o kerma, é soma das energias cinéticas iniciais de todas as partículas carregadas e é a massa do material.	
Taxa de Kerma:
= (2)
	Onde é a taxa de kerma, é o incremento do kerma, é o intervalo de tempo.
Dose em órgãos:
= [Gy] (3)
	Onde é a dose no órgão, é a energia cedida ao tecido e é a massa do tecido ou órgão.
Dose equivalente:
= [Sv] (4)
	Onde é a dose equivalente, é o valor médio da dose absorvida em algum órgão, é o fator peso da radiação.
Dose efetiva:
E= [Sv] (5)
	Onde E é a dose efetiva, é a dose equivalente e é o fator peso para o tecido ou órgão. A Figura 2 demonstra as grandezas de interesse durante um procedimento médico que utiliza raios-X.
Figura 2 - Grandezas de interesse. CANEVARO, 2009, p.103
3. CONCLUSÃO
Pelos aspectos mencionados, têm-se a importância do uso dos raios-X na medicina e nos estudos clínicos. Contudo, ainda há uma pequena taxa de risco, devido a exposição à radiação ao qual o paciente deve se submeter, sendo ela mais perigosa para gestantes e crianças. Há indícios de métodos que diminuem a radiação captada pelo paciente, como utilização de chapas de chumbo. Tais métodos devem, obrigatoriamente, ser utilizados em gestantes, pois a radiação ao qual o feto é exposto pode prejudicá-lo permanentemente.
Há vários estudos relacionados que tem o intuito de diminuir a radiação imposta, mas ambos ainda não obtiveram sucesso por completo, por isso, médicos recomendam uma dosagem anual por paciente, que está em torno de 3 a 4 sessões de exames com raios-X, para evitar o surgimento de células cancerígenas.
PHYSICS AND BIOMEDICAL ENGINEERING – X-RAYS
ABSTRACT
This article aims to introduce the physical concepts involved in the formation of X-rays. Through extensive literature search, the production of these rays has been exposed, as well as its mathematical modeling, applications and risks. It was observed that the X-rays are important tools for a lot of various diseases' diagnosis, thus a relevant research object, in view of its technical improvement and risks reduction to human health.
Keywords: Biomedical Engineering. Disease Diagnosis. Radiology. X-Rays.
REFERÊNCIAS
CANEVARO, Lúcia; Aspectos físicos e técnicos da Radiologia Intervencionista. Revista Brasileira de Física Médica. p. 101-115. 2009. 
CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear). Diretrizes Básicas de Radioproteção. CNEN/NE-3.01, Brasil, 1988.
DIMENSTEIN, Renato; NETTO, Thomaz Ghilardi. Bases Físicas e Tecnológicas aplicadas aos raios-X. São Paulo: Senac São Paulo, 2002.
D’IPPOLITO, Guiseppe; MEDEIROS, Regina Bitelli. Exames Radiológicos na Gestação. Radiol Bras 2005;38(6):447 – 450. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/%0D/rb/v38n6/27222.pdf> Acesso em: 23 Abril de 2016 às 15:20.
INATEL (Instituto Nacional de Telecomunicações). Experiência do Laboratório de EB-208- Tecnologias em Equipamentos Médicos II.
LIMA, João José Pedroso de. Técnicas de diagnósticos com raios X: aspectos físicos e biofísicos. 2ª ed. Ed.Coimbra. 2009.
MAHER, Kieran. Basic Physics of Nuclear Medicine. Libronomia Company, 2004.
SEGRÉ, Emilio. Dos raios X aos quarks. Físicos modernos e suas descobertas, 1987.
SOARES, Flávio Augusto Penna1; PEREIRA2, Aline Garcia; FLOR3, Rita de Cassia; Utilização de Vestimenta de Proteção Radiológica para Redução de dose absorvida: uma revisão integrativa da literatura. Radiol Bras 2011 Mar/Abr;44(2):97-103. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/rb/v44n2/v44n2a09> Acesso em: 23 de Abril de 2016 às 15:49.