Este documento discute os principais conceitos da física radiológica, incluindo: (1) a natureza atômica da matéria e radioatividade, (2) radiação eletromagnética e ionização, (3) raios-X, (4) imagem radiográfica, e (5) radiobiologia e proteção radiológica. O documento fornece detalhes sobre como os átomos se desintegram e emitem radiação, e como os raios-X interagem com a matéria para formar imagens radiográfic

1. PRINCÍPIOS DE FÍSICA
RADIOLÓGICA
Mon. Giordano Alves

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

3. 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

4. 1. Natureza atômica da matéria
• Átomo: alguns pontos densos (núcleos)
cercados por enormes vazios, nos quais estão
as camadas de elétrons orbitais.

5. 1. Natureza atômica da matéria
• 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

6. 1. Natureza atômica da matéria
• 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.

7. 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.

8. 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.

10. 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;

12. 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.

13. 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.

16. 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.

18. 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.

20. 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).

21. 3. Radiação eletromagnética
• A radiação eletromagnética (fótons) possuem
uma peculiaridade:
– Quando se propagam, comportam-se como ondas;
– Quando interagem, comportam-se como partículas.

22. 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).

25. 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.

26. É A QUE MAIS PRODUZ RAIOS X
TAMBÉM CHAMADA DE Bremsstrahlung

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

28. 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

29. 5. Raios X
• Aspectos práticos na radiografia:

31. 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.

33. 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;

34. GRÁFICO ILUSTRANDO A SITUAÇÃO ANTERIOR

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

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

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

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

39. 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

40. 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)

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

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

43. 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).

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

46. 6. Imagem radiográfica
• A interação de um raio X com a matéria é
variável, havendo 3 fenômenos principais:
– Espalhamento coerente
– Espalhamento Compton
– Efeito fotoelétrico

47. 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.

48. 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.

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

50. 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.

51. 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.

52. 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.

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

54. IMAGENS REPRESENTATIVAS DA ABSORÇÃO DIFERENCIAL

55. 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.

56. 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.

57. 6. Imagem radiográfica
• Quanto maior a energia do feixe, mais fótons
passarão as estruturas e mais preta será a
imagem;

58. 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.

59. 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).

60. 7. Radiobiologia

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

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

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

64. 7. Radiobiologia
• A exposição do ser humano às radiações
ionizantes podem ser de duas formas:
– Naturais (Principal = “de fundo”)
– Artificiais (Principal = exames médicos)

65. 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.

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

67. 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.

71. 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.

73. 7. Radiobiologia
• Principais efeitos estocásticos: CÂNCER
– Cólon
– Leucemia
– Mama
– Pele
– Pulmão
– Tireóide
– Outros (bexiga, cérebro, estômago, fígado…)

75. SITUAÇÃO ESPECIAL DE RADIAÇÃO FETAL NA
GESTAÇÃO: PRINCIPAIS EFEITOS.

76. 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