Princípios de física radiológica

PRINCÍPIOS DE FÍSICA
RADIOLÓGICA

Mon. Giordano Alves

Sumário
• 1. Natureza atômica da matéria
• 2. Radioatividade
• 3. Radiação eletromagnética
• 4. Ionização
• 5. Raios X
• 6. Imagem radiográfica
• 7. Radiobiologia e proteção radiológica

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

• Átomo: alguns pontos densos (núcleos)
cercados por enormes vazios, nos quais estão
as camadas de elétrons orbitais.

• 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

• 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.

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.

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.

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;

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.

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.

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.

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.

• 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).

• A radiação eletromagnética (fótons) possuem
uma peculiaridade:

– Quando se propagam, comportam-se como ondas;

– Quando interagem, comportam-se como partículas.

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).

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.

É A QUE MAIS PRODUZ RAIOS X
TAMBÉM CHAMADA DE Bremsstrahlung

RECEBE O NOME DE CARACTERÍSTICA PORQUE CADA ELÉTRON,
DEPENDENDO DE SEU NÚCLEO E DA CAMADA EM QUE ESTÁ, POSSUI UMA
ENERGIA DE LIGAÇÃO CARACTERÍSTICA.

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

5. Raios X
• Aspectos práticos na radiografia:

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.

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;

GRÁFICO ILUSTRANDO A SITUAÇÃO ANTERIOR

EFEITO DA CÚPULA DE VIDRO QUE REVESTE O TUBO DE RAIO X.
REPARE QUE OS COM MENOR ENERGIA SÃO ABSORVIDOS

EFEITO DO VIDRO (VERDE) E DO CABEÇOTE DE ALUMÍNIO (AMARELO)

EFEITO DO VIDRO (VERDE), DO CABEÇOTE (AMARELO) E FINALMENTE
DO COLIMADOR E FILTRO SOBRE O ESPECTRO DOS RAIOS X

5. Raios X
• Finalmente, consideremos – junto à radiação de
freamento – a radiação característica, que
possui caráter aleatório, e não contínuo.

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

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)

mAs (CORRENTE + TEMPO DE EXPOSIÇÃO). CONTROLA A
QUANTIDADE DE FÓTONS, MAS NÃO ALTERA A ENERGIA DELES.

A FILTRAÇÃO DIMINUI A QUANTIDADE DE FÓTONS COM BAIXA
ENERGIA, MAS NÃO ALTERA AQUELES COM ALTA ENERGIA.

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).

EFEITO DOS GERADORES DE ALTA TENSÃO. QUANTO MAIOR SUA
EFICIÊNCIA, MAIOR A QUANTIDADE DE FÓTONS E DE ENERGIA GERADA.

6. Imagem radiográfica
• A interação de um raio X com a matéria é
variável, havendo 3 fenômenos principais:

– Espalhamento coerente

– Espalhamento Compton

– Efeito fotoelétrico

• 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.

• 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.

ESPALHAMENTO COMPTON. REPARE COMO O FÓTON MUDA DE
DIREÇÃO E AINDA PÕE O ELÉTRON EM MOVIMENTO.

• 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.

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.

• 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.

• Absorção diferencial: é o que permite a
formação da imagem radiográfica.

IMAGENS REPRESENTATIVAS DA ABSORÇÃO DIFERENCIAL

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.

• 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.

• Quanto maior a energia do feixe, mais fótons
passarão as estruturas e mais preta será a
imagem;


• 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.

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).

Xavier AM. Boas práticas de proteção em radiologia. CNEN.

7. Radiobiologia
• A exposição do ser humano às radiações
ionizantes podem ser de duas formas:

– Naturais (Principal = “de fundo”)

– Artificiais (Principal = exames médicos)

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.

ENTRE OS EXAMES RADIOLÓGICOS, A TOMOGRAFIA
COMPUTADORIZADA É A MAIOR CONTRIBUINTE (30%),
ENQUANTO A RADIOGRAFIA DE TÓRAX PERFAZ APENAS 3%.

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.

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.

7. Radiobiologia
• Principais efeitos estocásticos: CÂNCER

– Cólon
– Leucemia
– Mama
– Pele
– Pulmão
– Tireóide
– Outros (bexiga, cérebro, estômago, fígado…)

SITUAÇÃO ESPECIAL DE RADIAÇÃO FETAL NA
GESTAÇÃO: PRINCIPAIS EFEITOS.

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.

DÚVIDAS E COMENTÁRIOS:
grtalves@gmail.com
jesushaygert@brturbo.com.br

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