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Brasília-DF. Física Médica Elaboração Igor Duarte de Almeida Produção Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração Sumário APrESEntAção ................................................................................................................................. 4 orgAnizAção do CAdErno dE EStudoS E PESquiSA .................................................................... 5 introdução.................................................................................................................................... 7 unidAdE i Física ................................................................................................................................................... 9 CAPítulo 1 Histórico............................................................................................................................... 9 unidAdE ii bioFísica ............................................................................................................................................ 25 CAPítulo 1 bioFísica básica .................................................................................................................. 25 unidAdE iii raio-X e tc ........................................................................................................................................ 35 CAPítulo 1 PrincíPios Físicos do raio-X e tcraio-X ........................................................................... 35 unidAdE iV ressonância magnética ................................................................................................................. 53 CAPítulo 1 PrincíPios Físicos de rm .................................................................................................... 53 rEfErênCiAS .................................................................................................................................. 70 4 Apresentação Caro aluno A proposta editorial deste Caderno de Estudos e Pesquisa reúne elementos que se entendem necessários para o desenvolvimento do estudo com segurança e qualidade. Caracteriza-se pela atualidade, dinâmica e pertinência de seu conteúdo, bem como pela interatividade e modernidade de sua estrutura formal, adequadas à metodologia da Educação a Distância – EaD. Pretende-se, com este material, levá-lo à reflexão e à compreensão da pluralidade dos conhecimentos a serem oferecidos, possibilitando-lhe ampliar conceitos específicos da área e atuar de forma competente e conscienciosa, como convém ao profissional que busca a formação continuada para vencer os desafios que a evolução científico- tecnológica impõe ao mundo contemporâneo. Elaborou-se a presente publicação com a intenção de torná-la subsídio valioso, de modo a facilitar sua caminhada na trajetória a ser percorrida tanto na vida pessoal quanto na profissional. Utilize-a como instrumento para seu sucesso na carreira. Conselho Editorial 5 organização do Caderno de Estudos e Pesquisa Para facilitar seu estudo, os conteúdos são organizados em unidades, subdivididas em capítulos, de forma didática, objetiva e coerente. Eles serão abordados por meio de textos básicos, com questões para refl exão, entre outros recursos editoriais que visam a tornar sua leitura mais agradável. Ao fi nal, serão indicadas, também, fontes de consulta, para aprofundar os estudos com leituras e pesquisas complementares. A seguir, uma breve descrição dos ícones utilizados na organização dos Cadernos de Estudos e Pesquisa. Provocação Textos que buscam instigar o aluno a refletir sobre determinado assunto antes mesmo de iniciar sua leitura ou após algum trecho pertinente para o autor conteudista. Para refletir Questões inseridas no decorrer do estudo a � m de que o aluno faça uma pausa e re� ita sobre o conteúdo estudado ou temas que o ajudem em seu raciocínio. É importante que ele veri� que seus conhecimentos, suas experiências e seus sentimentos. As re� exões são o ponto de partida para a construção de suas conclusões. Sugestão de estudo complementar Sugestões de leituras adicionais, � lmes e sites para aprofundamento do estudo, discussões em fóruns ou encontros presenciais quando for o caso. Praticando Sugestão de atividades, no decorrer das leituras, com o objetivo didático de fortalecer o processo de aprendizagem do aluno. 6 Atenção Chamadas para alertar detalhes/tópicos importantes que contribuam para a síntese/conclusão do assunto abordado. Saiba mais Informações complementares para elucidar a construção das sínteses/conclusões sobre o assunto abordado. Sintetizando Trecho que busca resumir informações relevantes do conteúdo, facilitando o entendimento pelo aluno sobre trechos mais complexos. Exercício de � xação Atividades que buscam reforçar a assimilação e � xação dos períodos que o autor/ conteudista achar mais relevante em relação a aprendizagem de seu módulo (não há registro de menção). Avaliação Final Questionário com 10 questões objetivas, baseadas nos objetivos do curso, que visam veri� car a aprendizagem do curso (há registro de menção). É a única atividade do curso que vale nota, ou seja, é a atividade que o aluno fará para saber se pode ou não receber a certi� cação. Para (não) � nalizar Texto integrador, ao � nal do módulo, que motiva o aluno a continuar a aprendizagem ou estimula ponderações complementares sobre o módulo estudado. 7 introdução A Física Médica é o ramo da Física que compreende a aplicação dos conceitos, leis, modelos, agentes e métodos da física para o diagnóstico e tratamento de doenças, desempenhando uma importante função na assistência médica, na pesquisa biomédica e na otimização da proteção radiológica. Com as descobertas na área da Física, foi possível elevar a Medicina a um nível tecnológico inimaginável com recursos que vão desde a investigação anatomopatológica microscópica até a análise de doenças por meio de pesquisa elétrica, como acontece no eletrocardiograma, no eletroencefalograma entre outros. Os conhecimentos físicos de óptica possibilitaram a invenção do microscópio que, por sua vez, ajudou os médicos a compreenderem melhor as estruturas biológicas, assim como a descobrir, no século XVII, a existência dos microorganismos e assim aprofundar os conhecimentos de uma nova ciência, a Citologia. Os conhecimentos na área da Citologia ocasionou a descoberta de novos dados importantes. O cientista e médico italiano Luigi Galvani descobriu que células musculares e nervosas podem gerar eletricidade. Essa eletricidade é conhecida hoje por potencial de ação. Com base nesses novos e importantes dados, foram feitas as interações do corpo humano com a eletricidade, a fim de extrair benefícios a partir de seus princípios físicos. Hoje, utiliza-se a eletricidade para diagnósticos, tratamento de doenças e até mesmo na área de estética. Sem dúvida, uma das descobertas mais importantes para a Medicina aconteceu por acaso. Foi a descoberta dos Raios-X por Roentgen. Sua história é bastante conhecida, principalmente pelos profissionais de imagem, mas devemos ressaltar o grande salto que a Medicina deu na área de diagnóstico, a partir do conhecimento apresentado por Roentgen. Hoje, a compreensão desses princípios é importantíssima para a criação de uma imagem médica, na correta quantidade de radiações para o diagnóstico de determinada doença e até mesmo na administração e no manuseio de medicamentos radioativos utilizados nos centros de diagnósticos. Nesse material, abordaremos, de uma maneira simples e objetiva, aspectos importantes sobre a Física, de modo que o aluno compreenda o tema discutido. 8 Estudem com determinação e vontade, sabendo que haverá dificuldade, mas sabendotambém que a recompensa do conhecimento adquirido é algo que não se pode pagar. Lembrem-se da importante frase do grande físico Albert Einstein: O único lugar em que o sucesso vem antes do trabalho é no dicionário. Bom estudo! objetivos » Fornecer informações sobre os princípios básicos de Física. » Compreender os aspectos histológicos da interação das radiações com os tecidos biológicos. » Conhecer métodos de proteção radiológica. 9 unidAdE ifíSiCA CAPítulo 1 Histórico definição Na área da Física podemos citar como exemplos de interdisciplinaridade a Físico- Química, a Biofísica, a Física Médica e a Física Computacional. É preciso lembrar que esse movimento em direção à interdisciplinaridade não é nada novo. Grandes cientistas do passado deram importantes contribuições tanto na área biológica quanto nas ciências exatas. Um exemplo é Helmholtz (1821-1894) que desenvolveu o oftalmoscópio e aprofundou estudos sobre a audição, podendo ser considerado um dos pioneiros da Física Médica. Como exemplo de áreas de pesquisa em Física Médica podemos citar: » Dosimetria das radiações. » Planejamento de tratamentos em Radioterapia. » Simuladores físicos (ou fantomas). » Proteção radiológica. » Processamento de imagens médicas. » Controle de qualidade de imagens médicas. » Medicina Nuclear. » Ultrassonografia. » Imagens por Ressonância Magnética. » Biomagnetismo. 10 unidAdE i │ fíSiCA Como se verifica, todos os exames e tratamentos médicos mais modernos e sofisticados, com alto teor científico e tecnológico agregado, possuem a participação do físico médico (BAFFA, PISA [s. d.]). Princípios básicos Hoje é consensual que a ideia de átomo surgiu na civilização grega. Demócrito, filósofo grego cujas obras demonstram interesse em história, linguística meteorologia, astronomia, entre outros assuntos, sugeriu que o universo tem uma constituição elementar única que é o átomo. A própria palavra ÁTOMO vem do grego: A = partícula de negação Tomo = cortar Para Demócrito, as vibrações das partículas invisíveis, indivisíveis e impenetráveis produzem todas as nossas sensações. Os conceitos de átomo e molécula, porém, só começaram a ser aceitos no final do século XVlll e início do século XlX, em função dos trabalhos de cientistas como o francês Antoine Lavoisier (1743-1794), o inglês John Dalton (1766-1844) e o russo Dmitri Mendeleyev (1834-1907). Em 1860, porém, a questão ainda era polêmica, como revelam os registros do Congresso de Química realizado em Karlsruhe na Alemanha,, provavelmente a primeira conferência científica internacional da história (CASTILHO 2003). O átomo era representado por uma esferinha tão pequena que não podia ser dividida. Daí o termo átomo=indivisível. Figura 1 Fonte: <www.entendendoquimica.blogspot.com.br> 11 fíSiCA│ unidAdE i A descoberta do elétron (1897) e a ideia de que o átomo podia ser dividido, a partir dos estudos do físico inglês Joseph Thomson (1856-1940), aliadas à observação dos fenômenos radioativos, consolidaram os conceitos de átomo e molécula. Figura 2 Fonte: <www.fisicapaidegua.com> Hoje se aceita a ideia de que um átomo é dividido em: » Núcleo. » Eletrosfera. O núcleo atômico é constituído de prótons e nêutrons. » Prótons. » Nêutrons. A eletrosfera é a região onde giram os elétrons. Figura 3 Fonte: <www.fisicapaidegua.com> O núcleo do átomo é composto de prótons e nêutrons. 12 UNIDADE I │ FísIcA Sabe-se que os prótons possuem carga elétrica positiva e os nêutrons possuem carga elétrica neutra. Ambos possuem valor de massa 1. Os elétrons possuem carga negativa e seu valor de massa é quase 2 mil vezes menor que a massa dos prótons e nêutrons 1/1840. Figura 4 Fonte: <www.fisicapaidegua.com> Estima-se que o núcleo seja dez mil vezes menor que a eletrosfera e mesmo assim concentra quase toda a massa do átomo, ou seja, é extremamente denso. Em contrapartida, a eletrosfera é grande, possui carga negativa e é pouco densa. O número de elétrons na eletrosfera é igual ao número de prótons do núcleo. A figura 4 exemplifica esse fenômeno. número atômico O número atômico é o que determina as diferenças entre os tipos de elementos e é representado pela letra Z, que corresponde ao número total de prótons do átomo. Isso determina o elemento atômico. Z = Número atômico. Átomo de Hidrogênio: 1 próton, 1 elétron Figura 5 Fonte: <www.fisicapaidegua.com> 13 FÍSICA│ UNIDADE I Átomo de Carbono: 6 prótons, 6 elétrons Figura 6 Fonte: <www.fisicapaidegua.com> Átomo de Oxigênio: 8 prótons, 8 elétrons Figura 7 Fonte: <www.fisicapaidegua.com> Massa atômica Massa é a formação do núcleo de um átomo. É formada por prótons (carga positiva) e nêutrons (carga 0 neutra) e representada pela letra A. O átomo de hidrogênio não possui nêutrons. Se um átomo de hidrogênio recebe um nêutron passa a se chamar Deutério. Se um átomo de hidrogênio recebe dois nêutrons passa a se chamar Trítio. 14 UNIDADE I │ FísIcA Figura 8. Fonte: <http://www.passo-a-passo.com> O átomo de carbono possui massa atômica (A) 12. Subtrai-se pelo número atômico que também é 6, temos como resultado 6 nêutrons. Figura 9 Fonte: <www.fisicapaidegua.com> O átomo de oxigênio possui massa atômica (A) 16. Subtrai-se pelo número atômico que também é 8, temos como resultado 8 nêutrons. Figura 10 Fonte: <www.fisicapaidegua.com> 15 FÍSICA│ UNIDADE I representação atômica Para representar um átomo, utilizamos um símbolo. Se tomarmos o átomo de Hidrogênio como exemplo, temos a letra H como seu símbolo. Nessa representação, o número de massa (A) aparece como um expoente e o número atômico (Z) apresenta-se como um índice. Veja o exemplo do Hidrogênio: Nessa representação, temos o símbolo (H), acima a massa (1) e abaixo o número atômico que no Hidrogênio também é (1). Veja o exemplo do Deutério: Nessa representação, temos o símbolo (H), acima a massa (1 próton e 1 nêutron) e abaixo o número atômico que também é 1. Veja o exemplo do Deutério: Veja o exemplo do Urânio: O Urânio é um elemento de massa atômica 238. Seu número atômico é de 92. 238-92=142 Nêutrons. isoátomos São átomos que apresentam em si o mesmo número de nêutrons, massa atômica ou número atômico. 16 UNIDADE I │ FísIcA Esses átomos apresentam alguma semelhança entre si e são classificados em: » Isótopos. » Isóbaros. » Isótonos. Isótopos são átomos pertencentes ao mesmo elemento químico, ou seja, possuem o mesmo número atômico (Z) ou a mesma quantidade de prótons, mas se diferenciam pelo número de massa (A). Assim, entendemos a origem desta palavra que tem origem grega: » iso = mesmo. » topos = lugar. Este termo refere-se ao mesmo lugar que ocupam na tabela periódica, por pertencerem ao mesmo elemento. Veja o exemplo: Hidrogênio Deutério Trítio A massa dos exemplos acima é diferente, mas o número atômico (1) é igual. São, portanto, átomos isótopos. Veja outro exemplo: Figura 11 Fonte: <alunosonline.com.br> 17 FÍSICA│ UNIDADE I Isóbaros são átomos de diferentes números de próton (Z), mas que possuem o mesmo número de massa (A). Assim, são átomos de elementos químicos diferentes, mas que têm mesma massa, já que um maior número de prótons será compensado por um menor número de nêutrons, e assim por diante. Desse modo, terão propriedades físicas e químicas diferentes. Veja: Carbono 14 Nitrogênio O carbono 14 possui a mesma massa atômica do nitrogênio. Isótonos são átomos de diferentes números de prótons e de massa, mas que possuem mesmo número de nêutrons, ou seja, são elementos diferentes, com propriedades físicas e químicas diferentes.Boro Berílio Nesse caso, ambos os elementos possuem o mesmo número de elétrons, porém, massa e número atômico diferentes. isótopo radioativo A radiação é resultado da transformação natural do isótopo de um elemento em um isótopo de outro elemento. Estes processos são denominados reações nucleares. Em uma reação nuclear, há variação no número atômico de um átomo e, frequentemente, variação do número de massa. Muitos isótopos apresentam uma importante característica: são capazes de emitir algum tipo de radiação, sendo por isso chamados de isótopos radioativos ou radioisótopos. Os átomos dos isótopos radioativos são muitos instáveis: seus núcleos liberam radiações alfa, beta ou partículas eletromagnéticas de alta energia, convertendo-se em novos elementos (FELTRE 2005). 18 UNIDADE I │ FísIcA Sabe-se que a massa e o número atômico do átomo de urânio é de: É sabido que a radioatividade é um fenômeno que ocorre no núcleo do átomo instável. Esse átomo, libera radiação alfa, radiação beta ou radiação gama. radiação alfa Para liberar radiação alfa, o núcleo instável de um determinado átomo libera 2 prótons e 2 nêutrons. Se convertendo em outro elemento. Veja o exemplo com o urânio: Nesse caso o urânio liberou 2 unidades de prótons e 2 unidades de nêutrons, liberou a radiação alfa, como ilustra a figura acima e o elemento urânio foi convertido em tório. radiação beta Para liberar a radiação beta, o núcleo instável de uma determinado átomo tem seu número atômico aumentado em uma unidade. As partículas beta são elétrons emitidos pelo núcleo de um átomo instável. Em núcleos instáveis betaemissores, um nêutron pode se decompor em um próton, um elétron e um antineutrino permanece no núcleo, um elétron (partícula Beta) e um antineutrino são emitidos. Assim, ao emitir uma partícula beta, o núcleo tem a diminuição de um nêutron e o aumento de um próton. Desse modo, o número de massa permanece constante. Tório Protactínio 19 FÍSICA│ UNIDADE I As partículas beta são capazes de penetrar cerca de um centímetro nos tecidos ocasionando danos à pele, mas não aos órgãos internos, a não ser que sejam ingeridas ou aspiradas. radiação gama Ao contrário das radiações alfa e beta, que são constituídas por partículas, a radiação gama é formada por ondas eletromagnéticas emitidas por núcleos instáveis logo após à emissão de uma partícula alfa ou beta. O Césio-137 ao emitir uma partícula beta, seus núcleos se transformam em Bário-137. No entanto, pode acontecer de, mesmo com a emissão, o núcleo resultante não eliminar toda a energia de que precisaria para se estabilizar. A emissão de uma onda eletromagnética (radiação gama) ajuda um núcleo instável a se estabilizar. Um núcleo pode emitir radiação alfa e simultaneamente a radiação gama, porém, não pode emitir radiação alfa e beta juntas. É importante dizer que das várias ondas eletromagnéticas (radiação gama, raios-X, micro-ondas e luz visível), apenas os raios gama são emitidos pelos núcleos atômicos. As radiações alfa, beta e gama possuem diferentes poderes de penetração, isto é, diferentes capacidades para atravessar os materiais. A radiação alfa possui massa 4 e número atômico 2. Por isso seu poder de penetração é baixo. A radiação beta possui massa 0 e número atômico -1. Isso torna seu poder de penetração razoável. A radiação gama possui massa 0 e número atômico 0. Por essa razão, seu poder de penetração é alto. 20 UNIDADE I │ FísIcA Figura 12. Fonte: <if.ufrgs.br> Assim como os raios-X, os raios gama são extremamente penetrantes, sendo detido somente por uma parede de concreto ou metal. Meia vida Meia vida é o termo utilizado para referir ao tempo necessário para a atividade de um elemento radioativo ser reduzida à metade da atividade inicial. Vejamos o caso do iodo-131 utilizado em Medicina Nuclear para exames de tireoide e que possui uma meia-vida de oito dias. Isso significa que decorridos 8 dias, a atividade ingerida pelo paciente será reduzida à metade. Passados mais 8 dias, cairá à metade desse valor, ou seja ¼ da atividade inicial e assim sucessivamente. Após 80 dias (10 meias-vidas) atingirá um valor cerca de mil vezes menor. Na natureza existem elementos radioativos que realizam transmutações ou desintegrações sucessivas até que o núcleo atinja uma configuração estável. Isso significa que, após um decaimento radioativo, o núcleo não possui, ainda, uma organização interna estável e, assim, ele executa outra transmutação para melhorá-la. Se não conseguir, prossegue até atingir a configuração de equilíbrio. Em cada decaimento, os núcleos emitem radiações dos tipos alfa, beta e/ou gama como vimos anteriormente. Cada um deles é mais organizado que o núcleo anterior. Essas sequências de núcleos são denominadas séries radioativas ou famílias radioativas naturais. No estudo da radioatividade, constatou-se que existem apenas três séries ou famílias radioativas naturais, conhecidas como Série do Urânio, Série do Actínio e Série do Tório. 21 FÍSICA│ UNIDADE I A Série do Actínio, na realidade, inicia-se com o Urânio-235 e tem esse nome porque se pensava que ela começava pelo Actínio-227. As três séries naturais terminam em isótopos estáveis do chumbo, respectivamente, Chumbo-206, Chumbo-207 e Chumbo-208. Os principais elementos das séries acima mencionadas são apresentados na figura abaixo. Figura 13 Fonte: möller [s. d.] Aplicações dos isótopos radioativos Dentre as aplicações industriais destacam-se a irradiação de alimentos, a radiografia industrial e a radioesterilização (BARBOZA 2009). 22 UNIDADE I │ FísIcA Alimentos No Brasil, as primeiras pesquisas utilizando irradiação em alimentos foram feitas na década de 1950, pelo Centro de Energia Nuclear na Agricultura (CENA), em Piracicaba-SP. Os alimentos irradiados foram aprovados pelas autoridades de saúde em quarenta países, entre eles o Brasil. Mesmo com a permissão do uso da irradiação para conservação de alimentos, os processos se restringiram quase exclusivamente às instituições de pesquisas, uma vez que o País contava com um número restrito de especialistas (ORNELAS et. al 2006). A irradiação de alimentos pode ser subdividida em três categorias, classificadas pela quantidade de radiação aplicada. Originalmente, em 1964, as subdivisões propostas foram: » Radurização. » Radiciação. » Radapertização. Essa classificação caiu em desuso e encontra-se obsoleta, sendo mais conveniente citar- se a dose e o objetivo da irradiação. Apesar disso, pelo fato de alguns autores se referirem a estes termos, vamos reproduzi-las abaixo, lembrando ao leitor que os limites de dose para esta classificação variam de autor para autor, portanto, ela é apenas esquemática (COUTO; SANTIAGO 2010). A radurização é um processo pelo qual o alimento é submetido a doses baixas de radiação (<1 kGy). Suas principais aplicações são: » inibir brotamentos; » retardar o processo de amadurecimento e deterioração em frutas e hortaliças; » agir contra insetos. Figura 14 Fonte: <radiacaosaude.blospot.com> 23 fíSiCA│ unidAdE i A radiciação é o tratamento do alimento com uma dose média de radiação (1kGy- 10kGy) sufi ciente para que ocorra a redução de micro-organismos presentes na superfície ou no interior dos alimentos. Por ocorrer uma redução apenas parcial dos desses micro-organismos, os produtos radiciados ainda precisam ser conservados em refrigeração (COUTO; SANTIAGO 2010). A radapertização produz um efeito semelhante ao da esterilização. Consiste na aplicação de uma dose mais alta de radiação (10kGy � 45 kGy) que permite a eliminação de populações de micro-organismos que promovem estragos nos alimentos. Esse processo é utilizado na conservaçãode carnes, dietas e outros produtos. A irradiação deve ser feita na embalagem fi nal e o alimento tem de estar pronto para o consumo. O alimento, com este tratamento, não tem prazo de validade, mesmo em temperatura ambiente, desde que a embalagem seja mantida intacta (COUTO; SANTIAGO 2010). A ANVISA deixa como opcional a inclusão do símbolo internacional do uso da radiação ionizante, radura. Nos EUA o FDA (Food and Drug Administration) tornou compulsório o uso da radura, com o texto escrito, nos alimentos irradiados que são comercializados. Esta rotulagem é exigida por lei desde 1986 para informar aos consumidores que eles estão comprando um alimento que foi processado por irradiação. O aviso é necessário porque a radiação não deixa nenhum vestígio aparente indicando que o alimento foi processado. O consumidor, em geral, não pode detectar pela aparência, pelo cheiro ou pelo toque se um alimento foi irradiado, (COUTO; SANTIAGO 2010). Figura 15 - radura, símbolo internacional de alimentos tratado por radiação Fonte: <nslhnmaden.blogspot.com.br> radioesterilização No dicionário de língua portuguesa, a palavra esterilizar signifi ca extermínio ou supressão de micro-organismos que podem ser encontrados em qualquer objeto ou ambiente. 24 unidAdE i │ fíSiCA A radioesterilização é a esterilização de materiais com o uso de radiação ionizante. É utilizada para os mais diversos tipos de produtos, como produtos farmacêuticos (gaze, fraldas, cosméticos, seringas e agulhas) e produtos de uso médico, suturas, sondas e materiais cirúrgicos em geral (BARBOZA 2009). A esterilização é a descontaminação por energia ionizante através de raios gama. Esse método consiste na exposição dos produtos à ação de ondas eletromagnéticas curtas, geradas a partir de fontes de Cobalto 60 em um ambiente especialmente preparado para esse procedimento. Como a radiação gama possui alto poder de penetração, os organismos podem ser alcançados onde quer que estejam, garantindo assim, total eficácia. Vantagens do método de radioesterilização: » processo seguro de esterilização e redução de carga microbiana, pois a única variável a ser controlada é o tempo de exposição do produto. » livre de resíduos, o tratamento permite que o produto seja utilizado ou consumido imediatamente após a aplicação; » é economicamente viável para todos os tipos de materiais e não altera a temperatura dos itens tratados; » possui alto poder de penetração, permitindo o processamento de produtos em suas embalagens finais, inclusive de geometria complexa, dispensando qualquer tipo de manipulação; » é um processo ecológico de esterilização e não possui emissões tóxicas nem resíduos, além de não causar impacto na qualidade do ar ou da água; » penetra em embalagens e produtos de todos os formatos, inclusive formas complexas; » compatível com produtos termossensíveis. 25 unidAdE iibiofíSiCA CAPítulo 1 biofísica básica íons Sabe-se que os átomos possuem um núcleo e uma eletrosfera, onde orbitam os elétrons. Sabe-se também que o núcleo dos átomos é composto por prótons e nêutrons. O número de prótons é o que determina o número atômico e seu valor é equivalente ao número de elétrons em sua órbita. Nesse caso, tem-se um átomo eletricamente neutro. Um átomo eletricamente neutro pode doar ou receber elétrons tornando-se um íon. Cátions Se um átomo neutro perder parte de sua carga elétrica negativa (elétron), tem-se um desequilíbrio de cargas, onde a positiva prevalece. Nesse caso temos um íon com carga positiva que conhecemos por cátion. Considerando um átomo de Sódio (Na), tem-se 11 prótons em seu núcleo e 11 elétrons. Nesse caso um átomo eletricamente neutro. Figura 16 Fonte: próprio autor 26 unidAdE ii │biofíSiCA Ao tornar-se estável, o átomo de Sódio (Na) perde elétron da camada externa. Assim tem-se 11 prótons no núcleo e 10 elétrons. Nessa configuração, o átomo não está mais neutro e sua carga positiva se sobressai, sendo classificado como um íon de carga positiva denominado cátion. O íon Sódio é apresentado sob a fórmula (Na+). Como há um número menor de elétrons atraídos pelo núcleo, essa atração é mais intensa e o íon Sódio (Na+) adquire um raio menor comparando com o átomo Sódio (Na). Veja: Figura 17 Fonte: próprio autor Ânions Se um átomo neutro receber carga elétrica negativa (elétron) tem-se um desequilíbrio de cargas, onde o número de prótons é menor que o número de elétrons. Nesse caso temos um íon com carga negativa que conhecemos por ânion. Considerando um átomo de Oxigênio (O), tem-se 8 prótons em seu núcleo e 8 elétrons. Nesse caso um átomo eletricamente neutro. Figura 18 Fonte: próprio autor 27 biofíSiCA│ unidAdE ii Para tornar-se estável, um átomo de oxigênio recebe 2 elétrons em sua camada exterior. Assim tem-se 8 prótons no núcleo e 10 elétrons. Nessa configuração, o átomo não está mais neutro e sua carga positiva se é inferior, sendo classificado como um íon de carga negativa denominado ânion. O íon oxigênio é apresentado sob a fórmula (O²-). Como há um número maior de elétrons atraídos pelo núcleo, essa atração é menos intensa e o íon oxigênio (O2-) adquire um raio maior comparando com o átomo oxigênio (O). Veja: Figura 19 Fonte: próprio autor Molécula Uma propriedade que os átomos possuem é a capacidade de se combinar com outros átomos para produzir substâncias. Assim podemos dizer que dois átomos ligados entre si formam uma molécula. As forças de atração que mantêm os átomos combinados são chamadas de ligações químicas. Os seres vivos são constituídos, principalmente, por átomos de Carbono (C), Hidrogênio(H), Oxigênio (O) e Nitrogênio (N). Estes átomos, combinados entre si, constituem a base das moléculas biológicas. As moléculas podem ser constituídas por átomos do mesmo elemento ou por átomos de elementos diferentes. 28 unidAdE ii │biofíSiCA Por exemplo: Dois átomos de hidrogênio podem combinar-se com um átomo de oxigênio para dar origem à molécula de água (H²O). Figura 20. Fonte: próprio autor Dessa mesma forma, os átomos se ligam para formar as moléculas que compõem as células que por sua vez, formarão os tecidos biológicos. Membrana celular A membrana celular é formada por duas camadas lipídicas. Cada lipídio é constituído por um grupo fosfato e um álcool (glicerol) compondo a cabeça da molécula de lipídio, além das duas cadeias de ácidos graxos compondo a cauda lipídica. Figura 21. Fonte: <fisicanet.com.ar> 29 biofíSiCA│ unidAdE ii O termo lipídio designa alguns tipos de substâncias orgânicas cuja principal característica é a insolubilidade em água e a solubilidade em certos solventes orgânicos. A razão da insolubilidade em água é que as moléculas desses lipídios são apolares, por isso não têm afinidade por moléculas água. Figura 22 Fonte: <pt.wickpedia.org> A membrana plasmática, representada pelo esquema acima, tem permeabilidade seletiva, ou seja, permite a passagem de algumas substâncias e impede outras. Os íons, por exemplo, não passam pela barreira da membrana. A atividade elétrica nos tecidos vivos é um fenômeno que se dá em nível celular, sendo estritamente dependente da membrana celular. Em praticamente todas as células vivas em que isso foi medido, detectou-se alguma diferença de potencial elétrico entre o citoplasma e o meio extracelular. Este é o chamado potencial de repouso ou potencial de membrana, cujo valor varia em diferentes tipos de células, indo de 5 a 100 mV, quase sempre com o interior negativo em relação ao exterior. Como já dito, as células têm um potencial de repouso negativo em relação ao exterior. Isto é especialmente notável nas chamadas células excitáveis, que são os neurônios, osmiócitos e as células endócrinas. Nessas células, quando ativadas, o potencial sai do repouso elétrico e muda de valor, chegando a inverter sua polaridade e, por um breve período (da ordem das dezenas de microssegundos), o interior da célula fica positivo, e o exterior, negativo. Rapidamente, então, a membrana da célula recobra seu potencial de repouso. Este processo, com suas fases de despolarização e repolarização, envolve correntes elétricas (iônicas) transmembrana com íons fluindo para dentro e para fora em diferentes etapas, consome cerca de 1 milissegundo e é chamado de potencial de ação. 30 unidAdE ii │biofíSiCA Os potenciais de ação propagam-se ao longo da membrana celular indo do ponto de origem até o outro extremo, mobilizando rigorosamente todos os recursos (canais e bombas) da membrana. Daí, em parte, a expressão tudo-ou-nada que descreve o fenômeno. Figuras 23, 24, 25 e 26. Fonte: <www.ced.ufsc.br> 31 biofíSiCA│ unidAdE ii Em repouso, a célula possui cátions K+ no seu interior. Mesmo sendo um íon positivo, sua concentração é baixa e isso torna o interior da célula menos positivo em relação ao meio externo. O exterior da célula é mais positivo que o interior devido à maior concentração de cátions Na+. O esquema acima ilustra a excitação celular. Nesse caso, canais dependentes de ligante recebem um neurotransmissor excitatório como a acetilcolina, permitindo a abertura de canais de entrada de Na+ e assim tornando a parte de dentro da célula mais positiva em comparação com a parte externa. Por uma fração de segundos, a célula está mais positiva que o meio externo. Isso é conhecido por potencial de ação. Célula A configuração química apresentada anteriormente refere-se à membrana plasmática. Com esse arranjo, é impossível a passagem de íons de dentro pra fora e vice-versa. Quando um íon ultrapassa a membrana, com certeza foi por um estímulo que desencadeia a abertura de canais para a transferência de íons com carga positiva (cátions), principalmente Na+ e K+. Essa impermeabilidade celular mantém os pequenos órgãos internos (organelas) protegidos para desempenharem sua função. Veja algumas organelas: Figuras 27 Fonte: <1papacaio.com.br> 1. Lisossomo: digestão celular. 2. Retículo endoplasmático: atuam no transporte de substâncias e produção de proteínas. 32 unidAdE ii │biofíSiCA 3. Ribossomos: síntese de proteínas. 4. Mitocôndria: produção de energia através da respiração celular. 5. Complexo de Golgi: transporta para fora da célula a proteína produzida no retículo endoplasmático. 6. Cito esqueleto: ajudam a manter a forma da célula. 7. Núcleo: armazena o material genético da célula. 8. DNA: possui todas as informações de formação e manutenção dos tecidos do corpo humano. dnA O DNA é um composto orgânico cujas moléculas contêm as instruções genéticas que coordenam o desenvolvimento e funcionamento de todos os seres vivos. O seu principal papel é armazenar as informações necessárias para a construção das proteínas. A estrutura do DNA proposta por Watson e Crick apresenta duas cadeias de fosfato em hélice, no exterior, unidas por duas bases aminadas, no centro. As cadeias formam uma hélice similar a uma escada de caracol e as bases são os degraus. Estima-se que toda a sequência da fita de DNA tenha cerca de 2 metros de comprimento e fica inserida no interior do núcleo das células eucariontes. O DNA é segmentado em trechos conhecidos por genes. Os genes são os responsáveis pela produção de proteínas para o crescimento e a manutenção de uma determinada parte do corpo. Vimos que o retículo endoplasmático produz proteínas. Então, quem produz a proteína? O gene envia as informações necessárias para o retículo endoplasmático produzir as proteínas responsáveis pela manutenção de um determinado tecido. Se uma pessoa tem olhos verdes, significa que existe um gene dentro de seu DNA que contém as informações para a correta produção de proteínas para a manutenção da cor verde dos olhos. Mas não são os genes quem produzem a proteína da cor verde e sim as organelas. Nesse caso, o retículo endoplasmático a produz a proteína de acordo como determina o gene. 33 biofíSiCA│ unidAdE ii gene São importantes na coordenação e na síntese das enzimas e demais proteínas, determinando assim, as características dos indivíduos, como a cor dos olhos, cor da pele, estatura, tendências de comportamento, doenças hereditárias etc. Dessa forma controla o metabolismo, a reprodução e constituem o material genético ou hereditário de todos os seres vivos. Na figura abaixo, temos o primeiro gene ilustrado com a conformação química dos pares de bases. Então cada gene é composto por uma sequência de pares de base que se combinam entre si para armazenar as características de cada parte do corpo. Figuras 28 Fonte: <cynara.com.br> As bases púricas apresentam-se em cadeia de dois anéis. São elas: » Adenina. » Guanina. 34 unidAdE ii │biofíSiCA As bases pirimídicas apresentam um só anel. São elas: » Citosina. » Timina. A adenina (A) pareia-se com a Timina (T) e a Guanina (G) pareia-se com a Citosina (C). Os pares de bases AT são mantidos por duas pontes de hidrogênio. Os pares de bases CG são mantidos por três pontes de hidrogênio. A compreensão dessas informações é importante em nosso estudo pela interação das radiações nessa conformação em nível molecular podendo alterar qualquer átomo que compõe as bases que, por sua vez, compõem o gene. Esse gene molecularmente modificado poderá induzir a produção de proteínas descaracterizadas por parte das organelas e isso pode alterar alguma característica do corpo, configurando anomalia anatômica e até mesmo um tumor. Veja o que acontece com vegetais expostos à altos níveis de radiação. Figuras 29. Fonte:<buzzly.fr> O terremoto que atingiu o Japão em março de 2011, além de produzir tamanha destruição pelas ondas gigantes que devastaram inúmeras cidades costeiras, produziu danos à usina nuclear de Fukushima liberando índices alarmantes de radiação no ambiente. Embora a cidade esteja inabitada, verifica-se o resultado da interação da radiação com a genética vegetal. A imagem acima ilustra bem esse fenômeno que gerou um pepino que produz folhas. A radiação ultravioleta emitida pelo sol interage com os átomos constituintes das moléculas de DNA das células do tecido epitelial. Qualquer alteração das cadeias que compõem os genes pode gerar câncer de pele. 35 unidAdE iiirAio-X E tC CAPítulo 1 Princípios físicos do raio-x e tCraio-X Já é de conhecimento que os raios-X foram descobertos por acaso por Roentgen. A partir dessa descoberta iniciaram-se novas pesquisas sobre o estudo de anatomia de modo não invasivo. A técnica foi aprimorada e hoje temos exames de raios-X convencional de ótima qualidade. Os raios-X são da mesma família que a radiação gama e isso é facilmente comprovado com o estudo do espectro eletromagnético. Veja: Figura 30 Fonte: <flexomagazine.blogspot.com.br> A figura acima mostra que, quanto maior a frequência, menor o comprimento de onda. E essa frequência determina a diferença entre as radiações. Repare que uma pequena faixa entre o infravermelho e o ultravioleta representa a luz visível. 36 unidAdE iii │rAio-X E tC Após a faixa de onda correspondente à luz ultravioleta, temos os raios-X. Raios-X são basicamente o mesmo que os raios de luz visível. Como ilustra na imagem acima, ambos são formas de ondas de energia eletromagnética carregadas por partículas chamadas fótons. Então a diferença entre raios-X e raios de luz visível é a energia dos fótons individualmente. Isto também é chamado de comprimento de onda dos raios. geração do raio-X Os raios-X sãogerados artificialmente a partir de uma ampola contendo um catodo e um anodo. Vimos nos módulos anteriores, a formação de radiação alfa, beta e gama. Todas são geradas no núcleo do átomo. A partir de agora veremos a formação dos raios-X a partir dos elétrons na órbita do átomo de tungstênio. A ampola de raios-X é constituída de vidro e revestido por metal. Sua função é isolamento térmico e elétrico entre catodo e anodo que encontram-se no interior da ampola e são essenciais na produção dos raios-X. O catodo (1) é o eletrodo negativo do tubo de raios-X. É constituído de um pequeno fio espiral semelhante à resistência de uma lâmpada incandescente dentro de um copo de focagem. Sua principal função é emitir feixes de elétrons (e) ao encontro de um anodo (2). Figura 31 Fonte: <hyperphysics.phy-astr.gsu.edu> O anodo é polo positivo do tubo de raio-X. É constituído de metal tungstênio, cujos átomos possuem número atômico de 74 e está representado pela letra W. Veja a configuração do átomo de Tungstênio: 37 rAio-X E tC│ unidAdE iii Figura 32 Fonte: próprio autor O anodo recebe os elétrons em feixes emitidos pelo catodo e o contato entre os elétrons e o anodo vai gerar os raios-X. Figura 33. Fonte: <hyperphysics.phy-astr.gsu.edu> A ampola permite a criação de raio-X a partir de dois fenômenos físicos distintos: » Bremsstrahlung. » Radiação característica. bremsstrahlung Nesse caso os raios-X são produzidos quando um elétron passa próximo ao núcleo de uma átomo de tungstênio. Esse elétron é atraído pelo núcleo do átomo e desviado de sua trajetória original. Com isso, o elétron perde parte de sua energia cinética, emitindo parte dela como fótons de radiação X. 38 unidAdE iii │rAio-X E tC Figura 34. Fonte: próprio autor <http://www.youtube.com/watch?v=P0Xi-dJskY8> radiação característica A radiação gerada pelo método Bremsstrahlung não tem qualquer interferência no átomo de Tungstênio diferente da radiação característica, cuja principal ação é fornecer energia sufi ciente para retirar um elétron da órbita mais próxima do núcleo, provocando uma instabilidade. Para retornar em sua estabilidade, um elétron da camada acima migra para o lugar do elétron retirado. Nessa migração, há a liberação de radiação. Figura 35 Fonte: próprio autor <http://www.youtube.com/watch?v=n9FkLBaktEY> 39 rAio-X E tC│ unidAdE iii Características dos raios-X Uma imagem de raios-X convencional é basicamente uma sombra do osso projetada no filme radiográfico. Como vimos no espectro eletromagnético, os raios-X, assim como os raios gama, são luzes invisíveis. Isso pode ser facilmente comprovado com a simples experiência com a luz: Projete uma fonte de luz da parede e obstrua a luz com um objeto. Aproxime o objeto da fonte de luz. Você vai ver que a sombra tende a aumentar de tamanho. Afaste o objeto da fonte de luz e quanto mais longe da fonte de luz menor é a sombra. Figura 36 Fonte: <saude.hsw.uol.com.br> A mesma coisa acontece em uma imagem de raios-X convencional. Parte da luz emitida fica retida no osso. Dessa forma, os raios-X não chegam até o filme que não será queimado pela radiação permanecendo com a coloração clara. Onde a luz do raio-X atinge o filme, deixa-o escurecido. 40 UNIDADE III │RAIO-X E TC Figura 37 Fonte: próprio autor Veja que na radiografia, onde tem coloração clara, pouca radiação passou para queimar o filme. Onde a coloração é escura muita radiação passou e queimou o filme deixando com essa característica. Figura 38 Fonte: próprio autor Na imagem acima, temos o fenômeno da magnificação devido à aproximação do homem no equipamento emissor de luz (raios-X). Observe que houve um aumento desproporcional das estruturas torácicas. 41 rAio-X E tC│ unidAdE iii Figura 39 Fonte: <www.urbexforums.com> <http://www.youtube.com/watch?v=I3s5HFQ2YME> Contraste em raios-X Sabe-se que os tecidos moles apresentam baixa densidade e por isso não se aparecem ao método de raios-x, porém, para se estudarem determinados órgãos através dessa técnica, torna-se imprescindível a utilização de substância hiperdensa no interior desse órgão, de modo a ter sua silhueta no exame de raios-X. O principal meio d e contraste utilizado é o Iodo que é representado pela letra (I). Veja a confi guração do átomo de Iodo: 42 unidAdE iii │rAio-X E tC Figura 40 Fonte: próprio autor A estrutura básica dos meios de contraste iodados é formada por um anel benzênico, ao qual foram agregados átomos de Iodo (I) e grupamentos complementares, onde estes ácidos influenciam diretamente com a sua toxicidade. Figura 41 Fonte: próprio autor Figura 42 Fonte: <radiology.org> 43 rAio-X E tC│ unidAdE iii Comparação de duas radiografias com a mesma incidência, porém, uma utilizando-se do contraste para ureteres e pelve renal e outra sem contraste. Fica claro que os raios-X sem contraste é ineficaz no diagnóstico de órgãos ou tecidos moles. Características do contraste iodado: » equilíbrio duas horas após injeção; » não é metabolizado; » eliminado inalterado na urina por filtração glomerular; » não é reabsorvido nos túbulos; » meia vida 2 horas; » 75% eliminado em 4 horas; » 98% eliminado em 24 horas. Vias de administração » Oral: quando o meio de contraste é administrado pela boca. » Parenteral: quando o meio de contraste é administrado por vias endovenosas. » Endocavitário: quando o meio de contraste é ministrado por orifícios naturais que se comunicam com o meio externo como uretra e reto. » Intracavitário: quando o meio de contraste é ministrado via parede da cavidade em questão como em fístula. tomografia computadorizada Os princípios físicos da tomografia computadorizada são os mesmos do raio-X convencional. Portanto, para a obtenção de imagens em tomografia computadorizada, são utilizados os mesmos raios-X, diferindo apenas no tipo de feixe de raio-X empregado. Na radiografia convencional, o feixe de raio é piramidal e a imagem obtida é uma imagem de projeção, na tomografia computadorizada o feixe é emitido por uma pequena fenda e tem a forma de leque. 44 unidAdE iii │rAio-X E tC Na tomografia computadorizada o tubo de raios-X gira 360 graus em torno da região do corpo a ser estudada e a imagem obtida é conhecida por tomograma, ou seja, são fatias (slices). Em oposição ao feixe de raios-X emitidos, temos um sistema detector de fótons que gira sincrônicamente ao tubo de raios-X de modo a captar os fótons resultantes da interação com os tecidos como ilustra a imagem a seguir. Figura 43 Fonte: <radiology.org> A imagem ilustra os materiais e sua interação com os raios-X. Na esquerda da figura tem o chumbo, que é um metal radiopaco, ou seja atenua completamente o raio-X de modo que não ultrapassa nenum fóton para estimular o sensor. Nesse caso temos baixa tensão gerada pelo sensor e o computador lê imagem branca. O fígado apresenta média opacidade e o resultado após sua interação com os raios-X é a atenuação de boa parte da radiação de modo que o sensor capta os fótons resultantes dessa interação e produz uma média tensão que será lida como uma imagem cinza. Na outra extremidade da figura, temos o ar. Esse não absorve raios-X e o resultado é a captação da radiação em sua totalidade. Nesse caso, os sensores geram uma grande tensão que será lida como cor escura. 45 rAio-X E tC│ unidAdE iii Figura 44 Fonte: <radiology.org> Dessa forma, a quantidade de fótons recebidos pelos detectores depende da espessura do objeto ou tipo de tecido e da capacidade deste de absorver os raios-X. Os detectores de fótons da tomografia computadorizada transformam os fótons emitidos em sinal analógico(corrente elétrica). Quanto mais fótons de raios-X atingem os detectores, maior é a diferença de potencial ou voltagem que cada detector fornece ao computador. A figura acima ilustra essa diferença de tensão captada a partir do resultado final da interação dos raios-X com os tipos de tecido. O sinal analógico vai ser convertido em sinal digital através do sistema de computação e será processado para formar a imagem final. Figura 45 adaptada de: <acbo.org.br> 46 unidAdE iii │rAio-X E tC Representação dos detectores de raios-X dos tomógrafos. Da direita para a esquerda temos: » Detector de tomógrafo de quinta geração (helicoidal). » Detector de tomógrafo multislice com um conjunto de 4 canais. » Detector de tomógrafo multislice com um conjunto de 8 canais. » Detector de tomógrafo multislice com um conjunto de 16 canais. Sensores ou detectores Nos equipamentos de tomografia computadorizada, os detectores transformam as informações do perfil de atenuação do paciente em sinais elétricos. Estes sinais analógicos são então convertidos para digitais através de um conversor analógico digital e sofrem um processo matemático para a formação da imagem. A carga em tubo de raios-X pode ser reduzida a um nível de ruído constante se a eficiência dos detectores for aumentada. Nos equipamentos de tomografia são utilizados detectores de estado sólido ou câmaras de ionização contendo gás xenônio (BECK 1996). detectores xenônio São os dispositivos responsáveis pela interação com os fótons de raios-X transformando em eletricidade para enviá-las à central de processamento de dados do computador. Os detectores com gás xenônio pressurizado possuem uma eficiência que pode variar de 40 a 65%. É um número baixo comparado ao outro método, mas os detectores de xenônio são mais estáveis a variações de temperatura e apresentam menor curva de histerese. Para períodos de rotação do tubo em torno do paciente e tempos de exposição mais curtos, os detectores a gás apresentam uma certa vantagem relacionada ao tempo de resposta do mesmo (BECK 1996). detectores sólido São os sensores do tipo CCD (Charged Coupled Device) ou Dispositivo de Carga Acoplado. 47 rAio-X E tC│ unidAdE iii São detectores de luz similares aos das máquinas fotográficas digitais. Os detectores de estado sólido são construídos com tungstato de cádmio (CdWO4) ou com um cintilador cerâmico acoplado a um fotodiodo e sua eficiência de detecção varia de 65 a 85%. Nesse caso, o sensor CCD é mais eficiente no que diz respeito à sensibilidade aos raios-X em comparação com o gás xenônio (BECK 1996). diodo Diodo é um dispositivo eletrônico considerado como um semicondutor. É um componente que pode comportar-se como condutor ou isolante elétrico, dependendo da forma como a tensão é aplicada aos seus terminais. A imagem a seguir ilustra o símbolo do diodo apresentado em esquemas de dispositivos eletrônicos. O diodo é amplamente utilizado em dispositivos eletrônicos. Trata-se de uma junção Positivo/Negativo que, quando polarizado diretamente, conduz corrente elétrica e quando polarizado inversamente, funciona como uma chave aberta e não conduz corrente elétrica. Diodos são usados, principalmente, em circuitos retificadores, ou seja, tem-se uma fonte de corrente AC (corrente alternada) com diodos consegue-se transformar esse corrente em CC (corrente contínua). Veja: Figura 46 Fonte: próprio autor 48 unidAdE iii │rAio-X E tC Figura 47. Fonte: próprio autor O sensor CCD é constituído por diodos ativados por luz. Veja seu símbolo do Fotodiodo: Esse diodo é o oposto do LED (diodo emissor de luz). Veja o símbolo do led: Essa imagem ilustra o sensor CCD de câmera digital. Figura 48 Fonte: <imagesurvey.com.br> 49 rAio-X E tC│ unidAdE iii <http://www.youtube.com/watch?v=U6Wvmrc3akc> A seguir uma ilustração de sua posição e funcionamento em conjunto. Figura 49 Fonte: <youtube.com/watch?v=JrWfk6ih_ni> Note a sequência de sensores CCD com o símbolo do diodo em sua ilustração. Figura 50 Fonte: <youtube.com/watch?v=ie6Pnga8aiY> Os sinais elétricos produzidos com a interação dos raios-X e os tecidos do corpo passam por uma resistência (após o diodo) e seguem para o computador para formar a imagem em corte. Os sinais dos detectores codifi cados que alimentam os programas de reconstrução da imagem são denominados dados brutos. 50 UNIDADE III │RAIO-X E TC A reconstrução de imagem de tomografia é um processo realizado por computador, em que algoritmos matemáticos transformam os dados brutos em imagem numérica ou digital. A imagem digital é uma matriz bidimensional, em que cada elemento de matriz, denominado pixel, recebe um valor numérico denominado de número de tomografia computadorizada. O número de tomografia computadorizada está relacionado ao coeficiente linear médio de atenuação do elemento do objeto, o voxel, que ele representa. Janela O olho humano não pode distinguir os 4.000 valores da escala de cinza. Uma única foto não é capaz de fornecer todas as informações necessárias. O computador disponibiliza o recurso de Janela e Centro que são variações do nível de brilho e contraste possibilitando a visualização otimizada para cada tecido do corpo. Valores de atenuação acima do limite superior da janela aparecem com tom branco e aqueles abaixo do limite inferior são apresentados em tom preto. Figura 51 Fonte: próprio autor Esse recurso define a extensão de níveis de cinza que me interessa para ver uma determinada parte do corpo. A largura de janela define os limites superior e inferior da Escala de Hounsfield que realmente interessam. 51 RAIO-X E TC│ UNIDADE III Figura 52 Fonte: próprio autor O nível ou centro da janela determina o centro da escala de densidades, ou seja, quais estruturas e órgãos são representados com os níveis intermediários de cinza. Os ajustes da janela devem ser realizados de acordo com as estruturas a serem diagnosticadas. Veja na imagem acimas que a mesma imagem com contraste diferente nos dá uma visão diferente dos tipos de tecidos. Nisso constitui a importante função centro janela. Proteção radiológica Na tomografia computadorizada são utilizados os mesmos parâmetros de segurança dos exames radiografia convencional, onde a permissão de acompanhante na sala de exame é proibido, com exceção de alguns casos, casos esses o acompanhante que permanecer na sala de exame de tomografia terá que utilizar os equipamentos de proteção, tais como: » óculos plumblífero. » avental de chumbo. » protetor de tireoide. » luvas de chumbo. 52 UNIDADE III │RAIO-X E TC Figura 53 Fonte: <trabalhodefisicahell.blogspot.com.br> 53 unidAdE iVrESSonÂnCiA MAgnétiCA CAPítulo 1 Princípios físicos de rM definição A ressonância magnética é um fenômeno físico que permite obter informação estrutural e dinâmica sobre a matéria, baseando-se na detecção das propriedades magnéticas dos núcleos. Essa técnica espectroscópica utilizada por cientistas para obter informações físicas e químicas de moléculas, teve um enorme avanço quando aplicada para fins médicos. Na Medicina, a ressonância magnética é utilizada nos equipamentos que produzem imagens do interior do corpo humano em pleno funcionamento de forma não invasiva. Tais imagens auxiliam na identificação de tumores ou variações de forma no organismo. Sendo assim, a ressonância magnética na medicina tornou-se um dos métodos mais utilizados e um dos mais significativos avanços para a Medicina no que se diz respeito à imagem (OLIVEIRA; BORDUQUI 2014). Para a compreensão dessa técnica precisamos compreender dois princípios: » magnetismo. » rádio frequência. Figura 54 Fonte: Hart JÚnior(2014) 54 unidAdE iV │ rESSonÂnCiA MAgnétiCA Magnetismo A história do magnetismo começou com um mineral chamado Magnetita (Fe3O4). O mineral recebeu esse nome por ter sido encontrado na cidade de Magnésia, hoje conhecida por Manisa, Turquia. Essa foi a primeira substância com propriedades magnéticas conhecida pelo homem e seu poder de atrair ferro já era conhecido séculos antes de Cristo. A força magnética que age em condutores percorridos por corrente, em um campo magnético, é muito importante e através de seu conhecimento podem-se explicar os fenômenos magnéticos. Estando a carga elétrica em movimento em um campo magnético, há uma interação entre esse campo e o campo originado pela carga. Esta interação manifesta-se por forças que agem na carga elétrica, denominadas forças magnéticas. Um campo magnético não atua sobre cargas elétricas em repouso, mas se pegarmos esta carga e lançarmos com uma velocidade V em direção a uma área onde há um campo magnético B, pode aparecer uma força magnética F atuando sobre esta carga. As características desta força magnética foram determinadas pelo físico Hendrick Antoon Lorentz (1853-1920) e são representadas pela regra da mão esquerda. Figura 55 Fonte: <osfundamentosdafisica.blogspot.com.br> Mais ou menos em 1050 dC, marinheiros passaram a utilizar magnetitas presas em madeira flutuando na água no interior de um recipiente para se orientarem na direção correta. A magnetita girava gradualmente até apontar na direção norte e sul. Nascia então a bússola. Essa ferramenta possibilitou expressivos avanços na embarcação. 55 rESSonÂnCiA MAgnétiCA │ unidAdE iV <http://www.youtube.com/watch?v=fyGxqyddKUY&list=PLkndHttWYNfEtu1Fy JhTtmr1T6SlvMDA0> O magnetismo é uma propriedade cuja natureza é de origem elétrica e está relacionada com uma carga em movimento. As propriedades magnéticas dos materiais têm sua origem na estrutura eletrônica dos átomos. Do ponto de vista clássico, são de dois tipos os movimentos associados ao elétron que podem explicar a origem dos momentos magnéticos: » o momento angular orbital do elétron; » o momento angular do spin do elétron. As propriedades magnéticas dos materiais têm sua origem nos átomos, pois quase todos os átomos são dipolos magnéticos naturais e podem ser considerados como pequenos ímãs, com polos norte e sul. Isto é algo que decorre de um somatório de dipolos magnéticos intrínsecos devidos ao spin do elétron, pois este movimento cria um dipolo magnético próprio. Sabe-se que dois dipolos próximos e de igual intensidade anulam seus efeitos se estiverem alinhados antiparalelamente e somam seus efeitos se estiverem alinhados paralelamente, portanto apenas os elétrons desemparelhados é que contribuem para o magnetismo. domínios Quando Ampère descobriu que os efeitos magnéticos também poderiam ser produzidos por correntes, ele propôs a teoria de que as propriedades magnéticas de um corpo são originadas por um grande número de minúsculas correntes circulares dentro desse corpo. O campo magnético total no material seria então a soma do campo gerado pela corrente externa com o campo gerado por estas correntes microscópicas. Mais tarde, foi desenvolvida a teoria dos domínios. Os elétrons apresentam uma propriedade chamada spin que faz com que eles se comportem como pequenos imãs. Nos materiais magnéticos, o campo magnético total devido aos spins dos elétrons é zero, seja porque eles se anulam naturalmente, seja porque estão orientados de forma aleatória. Isto acontece por conta do princípio de minimização da energia. Em materiais magnéticos como o ferro e o aço, os campos magnéticos dos elétrons se alinham formando regiões que apresentam magnetismo espontâneo. 56 unidAdE iV │ rESSonÂnCiA MAgnétiCA Essas regiões são chamadas de domínios. Veja o exemplo: O campo magnético de um átomo de ferro é tão forte que as interações entre átomos vizinhos podem dar origem a grandes aglomerados de átomos alinhados uns com os outros. Esses aglomerados são chamados por domínio magnético. Na imagem a seguir vemos um domínio magnético isolado ao lado de um pedaço de ferro. Figura 56 Fonte: <fisicaatual.com.br> Veja na fi gura acima que o pedaço de ferro é formado por compartimentos com orientações diferentes. Esses compartimentos são os domínios magnéticos que não estão a linhados entre si. Por isso, nem todo ferro é um ímã. Se todos os domínios se alinharem, temos um pedaço de ferro com propriedades de ímã. Para o fe rro apresentar propriedades de ímã, precisa ter o alinhamento de seus átomos em uma direção. Isso é possível se colocar uma barra de ferro no interior de uma bobina magnética como acon tece com os dispositi vos solenoides utilizados em válvulas elétricas. Solenoide <http://www.youtube.com/watch?v=SwqM8zpmAD8> 57 rESSonÂnCiA MAgnétiCA │ unidAdE iV Figura 57 Fonte: próprio autor Nesse caso, tem-se o alinhamento dos domínios magnéticos e o ferro passa a ter características de ímã. Se a bobina estiver sem energia, os domínios magnéticos retornam à sua posição original e o ferro perde essa propriedade, pois seus domínios retornam à sua posição original, ou seja, posição aleatória. Figura 58 Fonte: próprio autor bobina magnética A figura anterior evidencia a atividade magnética produzida por uma bobina de metal energizada. Para se ter esse conhecimento foi necessário provar que o magnetismo e a eletricidade eram coisas distintas. 58 unidAdE iV │ rESSonÂnCiA MAgnétiCA Para fazer tal façanha, o físico Hans Christian Orsted, em 1820, fez seu experimento utilizando um fio condutor e uma bússola. Nesse experimento, ele colocou a bussola perpendicular ao fio condutor e ligou a chave para fluírem os elétrons. A bússola permaneceu parada e isso reforçou a teoria de que magnetismo e eletricidade não tinham nada em comum. Figura 59 Fonte: próprio autor Ao colocar a bússola paralela ao mesmo fio condutor, ele obteve outra ação quando ligou a chave. Nesse caso a agulha se fixou apontando para o oeste. Isso ficou claro que a eletricidade e o magnetismo eram sinônimos. Figura 60 Fonte: próprio autor A partir desse experimento, sabemos que, quando uma corrente elétrica atravessa um fio condutor, é criado em torno dele um campo magnético. Veja: 59 rESSonÂnCiA MAgnétiCA │ unidAdE iV Figura 61 Fonte: <brasilescola.com> Se enrolar esse mesmo fio em espiral (bobina), temos uma grande concentração de campo magnético. O magnetismo de cada espiral da bobina interage com o campo da espiral vizinha e o resultado é um campo magnético combinado. Veja: Figura 61 Fonte: <endesaeduca.com> O resultado final de uma bobina energizada é o mesmo de um ímã. Figura 62 adaptado de: <endesaeduca.com> 60 unidAdE iV │ rESSonÂnCiA MAgnétiCA Vídeo experimento de magnetismo <http://www.youtube.com/watch?v=tXLHQ8K1oO0> Magneto O magneto corresponde a maior parte do equipamento de ressonância magnética. Existem dois tipos de magnetos: » Permanente. » Eletromagneto. O magneto permanente possui poder magnético próprio e não pode ser desligado. O eletromagneto produz um campo magnético criado passando-se uma corrente elétrica através da bobina interna. Nesse caso, precisa de grande quantidade de energia para produzir grande campo magnético. Por isso, deve ser refrigerado por gás hélio, pois o calor produzido é muito grande. O campo magnético é calculado em tesla e representado pela letra T. Quanto maior o magnetismo sua mensuração em tesla. Teste de magnetismo <http://www.youtube.com/watch?v=eCBT10bJH4k> Tesla é a unidade de medida para campos magnéticos. O termo tesla (T) é uma homenagem ao físico Nikola Tesla. Só pra se ter ideia, um tesla é vinte milvezes o valor do campo magnético da terra. Os equipamentos de ressonância magnética possuem entre 1 a 3 T. 61 rESSonÂnCiA MAgnétiCA │ unidAdE iV Figura 63 Fonte: <g1.com> A imagem acima ilustra um acidente que ocorreu no Hospital de Base de Brasília. Um profissional da limpeza entrou na sala para iniciar o trabalho quando a enceradeira foi atraída pelo forte campo do magneto de ressonância magnética. rádio frequência Se verificar na figura 30 (espectro eletromagnético) verá que as ondas de rádio são radiações eletromagnéticas com comprimento de onda maior e frequência menor do que a radiação infravermelha. São usadas para a comunicação em rádios amadores, radiodifusão (rádio e televisão) e telefonia móvel. São geradas normalmente a partir de um cristal de quartzo excitado por uma corrente elétrica que produz vibrações na frequência desejada. Essa frequência pode variar de 3 KHZ a 500 MHZ. O sinal de rádio produzido pode ser transmitido por bobinas ou antenas. Os fornos de micro-ondas produzem radiofrequência utilizando-se de uma ampola denominada magnetron (é diferente de magneto). O magnetron transforma corrente elétrica em ondas de rádio por um mecanismo similar à produção de raios-X. Uma antena é apontada para o prato onde está o alimento e a radiofrequência provoca o aquecimento do alimento pela interação com suas moléculas. A radiofrequência está sendo utilizada abundantemente na medicina para fins de tratamento, mas também é empregada no exame de ressonância magnética. 62 unidAdE iV │ rESSonÂnCiA MAgnétiCA A radiofrequência é gerada a partir das bobinas de emissão e recepção. Estas bobinas atuam como antenas para produzir e detectar as ondas de rádio que são denominadas de “sinal de ressonância magnética”. Uma bobina de radiofrequência típica está encerrada no portal do magneto e, assim, não é especificamente visível. Estas bobinas, algumas vezes denominadas de bobinas corporais, circundam completamente o paciente, incluindo a mesa sobre a qual ele está deitado. Essas bobinas apresentam-se independente do magneto quando o exame refere-se aos membros, cabeça etc. Figura 64 Fonte: <rle.dainf.ct.utfpr.edu.br> Princípio da criação da imagem de ressonância magnética À primeira vista, o aparelho de ressonância magnética é muito semelhante a um aparelho de tomografia computadorizada. A sala, os vários monitores, a mesa motorizada e o portal também são semelhantes, porém, as semelhanças não passam do aspecto visual. O interior do equipamento de ressonância magnética, não possui qualquer tipo de partes móveis, diferentemente do equipamento de tomografia que necessita girar em torno da parte a ser estudada. Outra importante diferença entre os dois métodos é que, na tomografia computadorizada, o paciente está completamente passivo enquanto, na ressonância magnética, a formação da imagem se dá pela liberação de sinais da região onde se quer estudar. O equipamento aplica o campo magnético, dá o estímulo e o organismo responde liberando sinais. Esses sinais vão formar a imagem. 63 rESSonÂnCiA MAgnétiCA │ unidAdE iV No interior do equipamento de ressonância magnética, encontram-se as bobinas magnéticas (MAGNETO) responsáveis pelo grande campo magnético necessário para a realização do exame. Figura 65 Fonte: <usa.healthcare.siemens.com> Magnetismo e átomo O átomo de hidrogênio é o mais simples de todos com apenas um próton em seu núcleo e um elétron na sua órbita. O próton de hidrogênio pode ser visto como uma pequena esfera que possui um movimento de giro, ou spin, em torno do seu próprio eixo. Por ser uma partícula carregada positivamente, irá gerar um campo magnético próprio ao seu redor comportando-se como um pequeno dipolo magnético ou como um imã com um momento magnético associado. Esse átomo será o alvo do método de ressonância magnética. Figura 66 Fonte: mazzola (2009) 64 unidAdE iV │ rESSonÂnCiA MAgnétiCA Os principais átomos que compõem o tecido humano são: » Hidrogênio. » Oxigênio. » Carbono. » Fósforo. » Cálcio. » Flúor. » Sódio. » Potássio. » Nitrogênio. Estes átomos, exceto o Hidrogênio, possuem no núcleo atômico prótons e nêutrons. Apesar de outros núcleos possuírem propriedades que permitam a utilização da ressonância magnética, o Hidrogênio é o átomo escolhido por três motivos básicos: 1. é o mais abundante no corpo humano: cerca de 10% do peso corporal se deve ao hidrogênio; 2. as características de ressonância magnética se diferem bastante entre o hidrogênio presente no tecido normal e no tecido patológico; 3. o próton do hidrogênio possui o maior momento magnético e, portanto, a maior sensibilidade à ressonância magnética. Os prótons se distribuem em dois níveis de energia, sendo que um pequeno número maior de prótons se alinha paralelamente. Figura 67 Fonte: mazzola (2009) 65 rESSonÂnCiA MAgnétiCA │ unidAdE iV Sem o campo magnético, os átomos de hidrogênio se dispõem assim: Figura 68 Fonte: Hart JÚnior (2014) Após a aplicação do campo magnético, os átomos de hidrogênio se dispõem assim: Figura 69 Fonte: Hart Jr (2014) Movimento de precessão Na tentativa de alinhamento com o campo, e por possuir o spin, surge um segundo movimento chamado de precessão. A analogia com um pião sob a ação do campo gravitacional é válida para entendermos este movimento. Sob ação de um campo magnético de 1 T, os átomos de Hidrogênio irão precessar a uma frequência de 42,57 MHZ. Portanto, se considerarmos uma campo de 1,5 T, a frequência de precessão do átomo de Hidrogênio será de 63,87 MHz. 66 unidAdE iV │ rESSonÂnCiA MAgnétiCA Uma regra importante a ser sempre lembrada é que qualquer alteração no valor do campo magnético irá alterar a frequência de precessão. Com os átomos de Hidrogênio alinhados paralelamente os antiparalelamente em um campo magnético de 1T, a frequência orbital do átomo de Hidrogênio é de 42,57 MHZ. Em um campo magnético de 1,5 T, temos 63,85 T. ressonância A ressonância é um fenômeno que ocorre quando um objeto é exposto a uma perturbação oscilatória que tem uma frequência próxima de sua própria frequência natural de oscilação. Um núcleo exposto a uma perturbação externa com oscilação semelhante a sua própria fre quência natural ganha energia da força externa. A energia da frequência de precessão do Hidrogênio a todas as potências de campo, na ressonância magnética clínica, corresponde à faixa de rádio frequência do espectro eletromagnético. Para que ocorra ressonância do Hidrogênio é necessário aplicar-se um pulso de radiofrequência exatamente na frequência do Hidrogênio. Outros núcleos ati vos não entram em ressonância porque sua frequência de preces são é diferente do hidrogênio e a aplicação de um pulso rádio frequência que faz com que ocorra a ressonância que é denominada excitação. Veja a sequência: Figura 70 Fonte: nibib gov (2014) Ao entrar em contato com o forte campo magnético, o átomo de hidrogênio passa a girar (precessar) numa frequência que varia de acordo com a intensidade do campo magnético e se posiciona paralelo ou antiparalelo com os demais átomos de hidrogênio. 67 rESSonÂnCiA MAgnétiCA │ unidAdE iV Figura 71 Fonte: nibib gov (2014) A receberem o sinal de rádio com a mesma frequência vindo da bobina externa, o átomo tem sua energia anulada se posiciona inversamente àquela sob o campo magnético. A retirar o pulso de rádio, o átomo tende a voltar à posição emitindo sinal de rádio num fenômeno conhecido por relaxamento. Se o átomo de Hidrogênio estava posicionado paralelamente aos demais, ao receber o sinal de rádio, este posiciona-se antiparalelamente e vice-versa. Esse sinal gerado pelo corpo é captado pela bobina eenviado para os computadores. Os computadores irão criar a imagem a partir desses sinais. recuperação t1 A recuperação T1 é causada pelos núcleos liberando sua energia no ambiente ou retículo circundante e é frequentemente designada como relaxamento do retículo de spin. A ener gia liberada no retículo circundante faz com que os núcleos recuperem sua magnetização longitudinal (magnetização no plano longitudinal). A razão de recuperação é um processo exponencial, com tempo de recuperação constante denominado T1. Este é o tempo neces sário para a recuperação de 63% da magnetização longitudinal no tecido. declínio t2 O declínio T2 é causado pela troca de energia entre núcleos vizinhos. A troca de energia é causada pela interação dos campos magnéticos de cada núcleo com seu vizinho. É frequentemente denominada relaxamento spin spin e acarreta o declínio ou perda da magnetização transversa (magnetização no plano transverso). Este é o tempo necessário para a perda de 37% da magnetização transversa. 68 unidAdE iV │ rESSonÂnCiA MAgnétiCA Figura 72 Fonte: <biomedcentral.com> A - Corte transversal de encéfalo com ponderação T1 B - Corte transversal de encéfalo com ponderação T2 Contraste na imagem Após a excitação do sistema de spins nucleares, a amplitude do sinal é proporcional à magnetização transversal, que decai devido à interação spin spin, com um tempo característico igual a T2. A taxa de retorno da magnetização longitudinal para o equilíbrio, devido à relaxação spin rede, tem um tempo característico de T1. Enquanto a densidade de prótons exerce sobre o contraste uma influência direta, os tempos de relaxação, T1 e T2, tem um comportamento mais complexo, fornecendo uma fonte mais poderosa para diferenciação de tecidos em imagens de RM. Estes tempos de relaxação são os responsáveis pela quantidade superior do contraste entre os tecidos moles obtidos pela RM em relação a TC. O contraste nas imagens se baseia na diferença de intensidade do sinal em áreas de estrutura ou composição diferentes. Uma imagem tem contraste quando apresenta áreas de sinal intenso (hipersinal), áreas de sinal intermediário e áreas de sinal fraco (hipossinal) Tecidos com maior quantidade de hidrogênio, produz sinal mais forte (hipersinal). Isso se reflete na formação da imagem. 69 rESSonÂnCiA MAgnétiCA │ unidAdE iV As ponderações T1 e T2 são sequências de contraste que medem as diferenças dos parâmetros T1 e T2 de cada tecido (que são intrínsecos ao tecido em estudo). O T1 representa as trocas de energia do núcleo de H com o seu meio ambiente e o T2 representa as trocas de energia entre núcleos adjacentes. Figura 73 Fonte: <biomedcentral.com> Corte transversal de encéfalo com ponderação T1 Na água, as moléculas apresentam grande mobilidade e a interação entre os campos magnéticos geram um T2 longo. Os tecidos patológicos costumam apresentar elevado conteúdo em água livre como edema, inflamação, necrose, cistos, hemorragia e tumores, apresentando uma frequência natural maior que a frequência de precessão, pelo que o intercâmbio energético é mais ineficaz. Assim, nos tecidos ricos em água, o T1 é longo e o sinal é baixo. O T2 também é longo, mas com sinal aumentado (hipersinal). Figura 74 Fonte: <biomedcentral.com> Corte transversal de encéfalo com ponderação T2. 70 referências BAFFA, O.: PISA, I. T. A física médica no Brasil. Portal Brasileiro de Física Médica. S.d. BARBOZA, A. Gestão de rejeitos radioativos em serviços de medicina nuclear. Tese de mestrado. IPEN. São Paulo, 2009. BECK, T. J. CT technology overview: State of the art and future directions. 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