Princípios de Física da Radiologia

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PRINCÍPIOS DE FÍSICA RADIOLÓGICA
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Sumário
1. Natureza atômica da matéria
2. Radioatividade
3. Radiação eletromagnética
4. Ionização
5. Raios X
6. Imagem radiográfica
7. Radiobiologia e proteção radiológica
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1. Natureza atômica da matéria
Toda matéria é constituída por átomos
Um núcleo circundado por elétrons
NÚCLEO: Prótons (+) e Nêutrons (sem carga)
ÓRBITAS: Elétrons (-)
NÚMERO ATÔMICO: número de prótons
NÚMERO DE MASSA: soma entre prótons e nêutrons
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Átomo: alguns pontos densos (núcleos) cercados por enormes vazios, nos quais estão as camadas de elétrons orbitais.
1. Natureza atômica da matéria
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Energia de ligação: é o que mantém um elétron unido ao núcleo, e é maior nas camadas mais internas; 
Transição: 
 Externa: elétron recebe energia
 Interna: elétron cede energia 
1. Natureza atômica da matéria
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Vários elementos possuem o mesmo número atômico, mas diferentes números de massa;
Estes elementos são denominados isótopos, e apenas o mais comum é representado na Tabela Periódica. 
1. Natureza atômica da matéria
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2. Radioatividade
Quando um arranjo nuclear possui desequilíbrio (relação prótons – nêutrons) o núcleo pode eliminar uma partícula e/ou energia para alcançar equilíbrio. Átomos com núcleos instáveis são denominados radioisótopos;
Radioatividade é a emissão de partículas e energia por um núcleo para que alcance estabilidade.
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2. Radioatividade
À medida que o número atômico aumenta, a quantidade de isótopos e de radioisótopos também aumenta; 
Exemplos:
Estanho (Sn): 10 isótopos estáveis e 15 radioativos
Tungstênio (W): 74 prótons e 110 nêutrons
Núcleos muito pesados tendem a ser instáveis.
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2. Radioatividade
Esta desintegração radioativa é um fenômeno aleatório, porém previsível; 
Além disso, cada radioisótopo possui uma meia-vida média, que determina seu tempo de atividade; 
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2. Radioatividade
Radioatividade natural: possui várias formas. As mais antigas surgiram com o Universo, como o urânio (t/2 = 703.700.000 anos); outros mais comuns como o Carbono são ativados por raios cósmicos diariamente.
Radioatividade artificial: equipamentos de alta energia capaz de ativar um elemento, desestabilizando seu núcleo. Nenhum equipamento radiológico tem esta propriedade.
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2. Radioatividade
Os processos pelo qual o núcleo atinge estabilidade são três: alfa, beta e gama;
Mesmo após o decaimento radioativo alfa ou beta, os núcleos geralmente emitem energia sob a forma de radiação eletromagnética (gama) e alcançar seu equilíbrio.
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2. Radioatividade
Poder de penetração: é a distância percorrida pelas radiações; 
Como as radiações corpusculares (alfa e beta) têm carga elétrica elas perdem energia ao passar pelo meio material, por interagem com a matéria;
Ao contrário, a radiação gama não possui carga e sua penetração será maior. 
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3. Radiação eletromagnética 
Radiação: transporte de energia que se propaga em todas as direções (ex.: som); 
A radiação eletromagnética se propaga sem um meio de transporte (ex.: Sol); 
A onda eletromagnética é complexa, pois tem um componente magnético e outro elétrico.
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3. Radiação eletromagnética
Do ponto de vista radiológico, a frequência é o mais importante, pois determina a energia transportada pela onda; 
Fóton: unidade de medida que significa a menor porção de radiação eletromagnética quantificável (raio único).
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3. Radiação eletromagnética
A radiação eletromagnética (fótons) possuem uma peculiaridade:
 Quando se propagam, comportam-se como ondas;
 Quando interagem, comportam-se como partículas.
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4. Ionização
Se uma radiação qualquer carregar energia igual ou superior àquela de ligação do elétron com seu núcleo, poderá ionizar e será dita radiação ionizante; 
Convencionou-se chamar de ionizantes aquelas que podem ionizar uma pequena amostra de ar atmosférico (33 eV).
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5. Raios X
São produzidos quando elétrons são lançados contra um meio material, liberando energia; 
Mas, se todo material é composto por átomos, e os átomos são enormes vazios, como um elétron vai colidir com a matéria? 
Por 2 vias: a de freamento e a característica.
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É A QUE MAIS PRODUZ RAIOS X
TAMBÉM CHAMADA DE Bremsstrahlung
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RECEBE O NOME DE CARACTERÍSTICA PORQUE CADA ELÉTRON, DEPENDENDO DE SEU NÚCLEO E DA CAMADA EM QUE ESTÁ, POSSUI UMA ENERGIA DE LIGAÇÃO CARACTERÍSTICA.
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5. Raios X
Note que um evento pode levar a outro; 
Se o meio for denso o bastante, os elétrons perderão energia rapidamente e penetrarão pouco além da superfície.
Figura 5.3
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5. Raios X
Aspectos práticos na radiografia: 
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5. Raios X
O tubo de raio X é instalado dentro de um cabeçote (alumínio); 
O cabeçote possui uma janela;
A janela possui um colimador;
O colimador possui um filtro. 
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5. Raios X
Considerando que o elétron secundário pode gerar vários raios X, numa cascata de eventos, conclui-se que a maior parte dos raios X formados possuem baixa energia; 
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GRÁFICO ILUSTRANDO A SITUAÇÃO ANTERIOR
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EFEITO DA CÚPULA DE VIDRO QUE REVESTE O TUBO DE RAIO X. REPARE QUE OS COM MENOR ENERGIA SÃO ABSORVIDOS
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EFEITO DO VIDRO (VERDE) E DO CABEÇOTE DE ALUMÍNIO (AMARELO)
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EFEITO DO VIDRO (VERDE), DO CABEÇOTE (AMARELO) E FINALMENTE DO COLIMADOR E FILTRO SOBRE O ESPECTRO DOS RAIOS X
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5. Raios X
Finalmente, consideremos – junto à radiação de freamento – a radiação característica, que possui caráter aleatório, e não contínuo. 
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5. Raios X
Os principais fatores capazes de alterarem o espectro radiográfico são: 
 Tensão radiográfica (kV)
 Corrente elétrica (mA)
 Tempo de exposição (por vezes incluído em mAs)
 Filtração adicional
 Material do ânodo
 Tipo de gerador de alta tensão
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A QUANTIDADE E ENERGIA TOTAL DE FÓTONS AUMENTA PELO QUADRADO DO FATOR DE INCREMENTO DO KV. O KV DETERMINA A PENETRABILIDADE DO FEIXE (CONTRASTE RADIOGRÁFICO)
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mAs (CORRENTE + TEMPO DE EXPOSIÇÃO). CONTROLA A QUANTIDADE DE FÓTONS, MAS NÃO ALTERA A ENERGIA DELES.
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A FILTRAÇÃO DIMINUI A QUANTIDADE DE FÓTONS COM BAIXA ENERGIA, MAS NÃO ALTERA AQUELES COM ALTA ENERGIA.
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5. Raios X
Material do ânodo: o número atômico (Z) afeta a quantidade e a energia dos fótons de um feixe de raio X, através da maior eficiência da radiação por freamento. Principalmente o Tungstênio, mas também o Molibdênio e o Ródio são utilizados como ânodo (receptor de elétrons). 
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EFEITO DOS GERADORES DE ALTA TENSÃO. QUANTO MAIOR SUA EFICIÊNCIA, MAIOR A QUANTIDADE DE FÓTONS E DE ENERGIA GERADA.
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6. Imagem radiográfica
A interação de um raio X com a matéria é variável, havendo 3 fenômenos principais: 
Espalhamento coerente
Espalhamento Compton
Efeito fotoelétrico
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6. Imagem radiográfica
Espalhamento coerente: fótons de energia baixa que “perturbam” a órbita dos elétrons e apenas muda sua direção, sem transferir energia. Também chamado de espalhamento clássico ou de Thomson. 
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6. Imagem radiográfica
Espalhamento Compton: interação com as camadas mais externas do átomo. Há transferência de energia, inclusive com ionização; 
Quanto maior o ângulo de espelhamento, maior a energia transferida ao elétron (180 graus = retroespelhada ou backscattered radiation);
Resulta no embaçamento (fog) da imagem, reduzindo seu contraste.
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ESPALHAMENTO COMPTON. REPARE COMO O FÓTON MUDA DE DIREÇÃO E AINDA PÕE O ELÉTRON EM MOVIMENTO.
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6. Imagem radiográfica
Efeito fotoelétrico: interação com as camadas mais internas do átomo. 
O fóton transfere TODA sua energia para o elétron, havendo ionização; 
Como transfere toda a energia, o fóton desaparece a seguir. 
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EFEITO FOTOELÉTRICO. COMO O FÓTON CEDE TODA SUA ENERGIA AO ELÉTRON, ELE DESAPARECE APÓS A COLISÃO.É DIRETAMENTE PROPORCIONAL AO NÚMERO ATÔMICO E INVERSAMENTE AO CUBO DA ENERGIA.
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6. Imagem radiográfica
Em termos gerais, é importante percebermos que, para regiões anatômicas com grandes diferenças de densidades, devemos favorecer a ocorrência do espalhamento Compton, enquanto que – naquelas com densidades muito próximas – o efeito fotoelétrico (menor energia) deve ser buscado. 
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6. Imagem radiográfica
Absorção diferencial: é o que permite a formação da imagem radiográfica.
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IMAGENS REPRESENTATIVAS DA ABSORÇÃO DIFERENCIAL
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IMPORTANTE: A RADIAÇÃO ESPALHADA, AO ATINGIR O DETECTOR QUE FORMARÁ A IMAGEM, NÃO TRAZ BENEFÍCIOS PARA O DIAGNÓSTICO, CAUSANDO INDEFINIÇÕES NA IMAGEM. PARA ISSO, UTILIZA-SE A GRADE ANTIDIFUSORA (BUCKY), QUE SERÁ DISCUTIDA ADIANTE.
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6. Imagem radiográfica
O registro da absorção diferencial é percebido através da densidade radiológica (ou densidade óptica). Ela engloba uma escala de contraste, que vai do branco ao preto, passando por diversos tons de cinza. 
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6. Imagem radiográfica
Quanto maior a energia do feixe, mais fótons passarão as estruturas e mais preta será a imagem; 
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6. Imagem radiográfica
Ao aumentar o kV, tornaremos a imagem mais escura e com maiores quantidades de tons; 
Ao aumentar a mA, tornaremos a imagem mais escura, mas não se alteram as quantidades de tons; o mesmo serve para o tempo de exposição.
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FINALMENTE, VEJA QUE AO AUMENTAR A DISTÂNCIA ENTRE FOCO E FILME O FLUXO DE FÓTONS POR UNIDADE DE ÁREA SERÁ REDUZIDO, E A IMAGEM SERÁ MAIS CLARA. ALÉM DISSO, A ÁREA EM ESTUDO SERÁ DISTORCIDA (AUMENTADA).
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7. Radiobiologia
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Xavier AM. Boas práticas de proteção em radiologia. CNEN.
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Xavier AM. Boas práticas de proteção em radiologia. CNEN.
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Xavier AM. Boas práticas de proteção em radiologia. CNEN.
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7. Radiobiologia
A exposição do ser humano às radiações ionizantes podem ser de duas formas:
 Naturais (Principal = “de fundo”)
 Artificiais (Principal = exames médicos)
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ENTENDE-SE POR RADIAÇÃO DE FUNDO OS RAIOS CÓSMICOS E VÁRIAS SUBSTÂNCIAS TERRESTRES, COMO O RADÔNIO. NO BRASIL, MG E ES SÃO OS ESTADOS MAIS EXPOSTOS.
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ENTRE OS EXAMES RADIOLÓGICOS, A TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA É A MAIOR CONTRIBUINTE (30%), ENQUANTO A RADIOGRAFIA DE TÓRAX PERFAZ APENAS 3%.
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7. Radiobiologia
Os efeitos biológicos da radiação ionizante são pautados na ação do elétron secundário que, ao interagir com uma molécula de água, gera um radical hidroxila (OH*) que lesa o DNA celular.
Divisão prática: etapa física, química e biológica.
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7. Radiobiologia
Os efeitos desta lesão ao DNA podem ser entendidos de duas maneiras básicas: 
Efeitos determinísticos: efeito agudo que ocorre devido à perda celular após receber radiação; 
Efeitos estocásticos: envolve o desenvolvimento a longo prazo de dano, geralmente com malignidade associada.
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7. Radiobiologia
Principais efeitos estocásticos: CÂNCER
 Cólon
 Leucemia
 Mama
 Pele
 Pulmão
 Tireóide
 Outros (bexiga, cérebro, estômago, fígado…)
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SITUAÇÃO ESPECIAL DE RADIAÇÃO FETAL NA GESTAÇÃO: PRINCIPAIS EFEITOS.
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Referências
1. Bushong SC. Ciência Radiológica para Tecnólogos, 9a edição, Elsevier, 2010. 
2. Junior JGT. Física Radiológica, 1a edição, Guanabara Koogan, 2010. 
3. Bonjorno RFS. Física completa, 2a edição, FTD, 2001.
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