Produção de Raios-X

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RAIOS-X 
Adriana Fontes – Departamento de Biofísica e Radiobiologia 
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 raio-X é radiação eletromagnética que pode ser 
produzida 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) 
In
te
n
si
d
ad
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 inc idem sobre o a lvo 
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
úm
er
o 
A
tô
m
ic
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 aárea 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 produzem 
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. 
Energia depositada por ionização no tecido biológico por unidade de massa. 
1 rad = 10-2 J/(kg tecido) 1 Gy = 100 rad 
DOSE 
Dose -> radiografia: 10-2 a 10-4 e radioterapia de 20 a 80 Gy. 
RAIOS GAMA 
 
 
ÁTOMOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS 
“RADIAÇÃO” 
ISÓTOPOS 
NÚCLEO NÚCLEO 
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. 
TOMOGRAFIAS COMPUTADORIZADAS 
Adriana Fontes – Departamento de Biofísica e Radiobiologia 
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 minutos. 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 
DETECTORES FIXOS 
 
A fonte roda sobre um centro, enquanto os detectores ficam estacionários. A matriz tem de 
600 a 4800 detectores independentes em um círculo completo ao redor do paciente. O 
tempo de varredura é similar ao de terceira geração. 
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 
SPECT 
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 = λ N onde λ 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 = λ T1/2 
RADIOFÁRMACO 
 SPECT: (1) 67Ga – 200 keV – 78.26 h – (2) 99mTc – 140 keV – 6.03 h –m (3) 111In – 
200 keV – 2.81 d – (4) 123I – 159 keV – 13 h – (5) 131I – 364 keV – 8.06 d 
 
 
 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 
detector Interação 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.