UNIVERS IDAD E ES TADUAL D E MATO GROSSO DO S UL
S IMONE LOURENÇO DOS S ANTOS
OS ACELERADORES LINEARES NA RADIOTERAPIA
DOURADOS - MS
2007
S IMONE LOURENÇO DOS S ANTOS
OS ACELERADORES LINEARES NA RADIOTERAPIA
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Curso de Física, como
requisito à obtenção do título de Licenciado
em Física da Universidade Estadual de
Mato Grosso do S ul.
Orientador: Prof. Msc. Emerson Canato Vieira
DOURADOS - MS
2007
S IMONE LOURENÇO DOS S ANTOS
OS ACELERADORES LINEARES NA RADIOTERAPIA
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Curso de Física, como
requisito à obtenção do título de Licenciado
em Física da Universidade Estadual de
Mato Grosso do S ul.
Dourados - MS , 23 de Novembro de
2007.
____________________________________
Prof. Emerson Canato Vieira
____________________________________
Profª. Karin Ferraz
____________________________________
Prof. Antonio Cesar Aguiar Pinto
Dedico este trabalho
aos meus pais Iraci e Benedito,
que com amor e sabedoria
me ensinaram a ser quem sou hoje e
ao meu esposo Alex
que tanto amo.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus pela minha vida e por todas as oportunidades que tem
me proporcionado.
A minha família pelo apoio e paciência demonstrada ao longo destes quatro anos de
graduação.
Ao meu esposo Alex, que se mostrou amoroso, carinhoso, companheiro, entendeu as
muitas vezes que não estive presente, me apoiou e sempre me incentivou.
Aos professores do curso de Física em geral, pelos conhecimentos transmitidos.
Principalmente ao professor Emerson Canato Vieira por ter me orientado neste trabalho.
Aos meus colegas de curso, em especial, ao Jorge Luiz e a M aria Sonia, com os quais
construí laços de amizade que pretendo que perdurem ao longo da minha vida.
Enfim a todos que de alguma forma contribuíram na minha formação.
RESUMO
O câncer se tornou um problema preocupante entre a população mundial, diante disso,
surgiram inúmeros recursos para o tratamento desta doença entre os quais: cirurgia,
quimioterapia, hormonoterapia, imuno-terapia e a radioterapia, sendo que podem ser usados
em conjunto ou separadamente. A radioterapia faz uso de radiações ionizantes em suas
modalidades de tratamento entre as quais está a teleterapia. Nessa modalidade a fonte de
radiação fica externa ao paciente, e podem ser utilizados diversos equipamentos. Neste
trabalho apresentaremos alguns dos equipamentos utilizados na teleterapia e demonstraremos
porque dentre estes os aceleradores lineares oferecem maiores vantagens na sua utilização.
PALAVRAS CHAVE: Radiação, Aceleradores de partículas, Radioterapia, M áquinas de
teleterapia.
SUMÁRIO
RESUM O....................................................................................................................................6
INTRODUÇÃO..........................................................................................................................8
A INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA ...........................................................9
2.1 Definindo radiação............................................................................................................9
2.2 A hipótese de Planck ......................................................................................................10
2.3 O efeito fotoelétrico........................................................................................................11
2.3.1 A explicação de Einstein para o efeito fotoelétrico .................................................11
2.4 O efeito Compton...........................................................................................................13
2.5 A dualidade onda - partícula...........................................................................................14
2.6 Algumas radiações e suas características .......................................................................14
2.6.1 Radiação alfa ...........................................................................................................14
2.6.2 Radiação beta...........................................................................................................15
2.6.3 Radiação gama.........................................................................................................15
2.6.4 Radiação X...............................................................................................................15
2.6.5 Radiação de nêutrons ...............................................................................................15
2.6.6 Radiação de fundo ou natural ..................................................................................16
ACELERADORES DE PARTÍCULAS...................................................................................17
3.1 Definição de aceleradores ...............................................................................................17
3.2 Tubos de raios catódicos.................................................................................................17
3.3 Aceleradores lineares ......................................................................................................18
3.4 Aceleradores cíclicos ......................................................................................................18
3.5 Ciclotron .........................................................................................................................18
3.6 Síncronos ........................................................................................................................19
3.7 M icroton.........................................................................................................................20
RADIOTERAPIA COM FEIXE DE ELÉTRONS E M ÁQUINAS DE TELETERAPIA.......21
4.1 O que é a radioterapia? ...................................................................................................21
4.2 M otivos para a utilização de feixe de elétrons em radioterapia......................................21
4.3 Energia do feixe de elétrons ...........................................................................................22
4.4 Raios X de quilovoltagem ..............................................................................................23
4.5 Terapias com equipamentos de quilovoltagem...............................................................24
4.5.1 Terapia de contato....................................................................................................24
4.5.2 Terapia superficial ...................................................................................................24
4.5.3 Terapia profunda ou ortovoltagem ..........................................................................24
4.6 Equipamentos de telecobaltoterapia ...............................................................................25
ACELERADORES LINEARES ..............................................................................................26
5.1 O que é este equipamento de megavoltagem? ................................................................26
5.1.1 Componentes de um acelerador linear.....................................................................28
CONCLUSÃO..........................................................................................................................31
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .....................................................................................32
8
CAPÍTULO I
INTRODUÇÃO
Diante do problema alarmante que o câncer se tornou na vida da população mundial a
radioterapia ganhou destaque entre os tratamentos hoje existentes tais como a cirurgia e a
quimioterapia.
A radioterapia tem por objetivo aplicar a radiação nas células tumorais visando o
controle tumoral e o mínimo de danos possíveis aos tecidos vizinhos.
A teleterapia, uma modalidade da radioterapia na qual a fonte de radiação não fica em
contato direto com a superfície a ser irradiada, utiliza feixes de radiação ionizante no
tratamento.
Dentre os equipamentos utilizados na teleterapia estão os de quilovoltagem, que
oferecem feixes de raios X com energia da ordem de no máximo algumas centenas de
quilovolts, os que utilizam como fonte de radiação o césio ou o cobalto sendo denominados
de equipamentos de telecobaltoterapia e os aceleradores lineares.
O objetivo deste trabalho é demonstrar as vantagens da utilização dos aceleradores
lineares na teleterapia ao invés dos outros equipamentos citados acima.
Inicialmente foi feito uma discussão sobre a radiação e sua interação com a matéria,
depois uma breve descrição de aceleradores de partículas, em seguida a apresentação de
alguns equipamentos utilizados em teleterapia e por último os aceleradores lineares.
A metodologia utilizada neste trabalho foi a pesquisa bibliográfica.
9
CAPÍTULO II
A INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA
2.1 Definindo radiação
O que vem a ser a radiação?
Okuno, Caldas e Chow (1982, p.2) afirmam que “a radiação é a propagação de energia
sob várias formas, sendo dividida geralmente em dois grupos: radiação corpuscular e radiação
eletromagnética”.
A radiação corpuscular é constituída de feixe de partículas elementares, ou núcleos
atômicos, tais como: elétrons, prótons, nêutrons, mêsons π e etc.
Uma partícula de massa m que se move com uma velocidade v, sendo v muito menor
que c, possui energia cinética dada por:
K 
1
mv 2
2
(1)
Essa energia também é chamada de energia cinética da radiação, onde c é a velocidade
da luz no vácuo e vale aproximadamente 3 x 108 m/s.
Já a radiação eletromagnética é formada por ondas eletromagnéticas constituídas de
campos elétricos e magnéticos oscilantes que se propagam com velocidade constante c no
vácuo. Ondas de rádio, raios X, raios ultravioleta e raios gama são exemplos desse tipo de
radiação.
Uma onda eletromagnética pode ser caracterizada pelas seguintes grandezas :
comprimento de onda λ e a freqüência  . A relação existente entre tais grandezas é:
  v
(2)
onde v é a velocidade de propagação da onda.
Para uma onda eletromagnética:
  c
(3)
  c  3  10 8 m / s
(4)
Em muitos casos os comprimentos de onda das radiações eletromagnéticas são muito
curtos, sendo conveniente expressá-los em unidades menores que o metro tais como: o
10
angstrom (Å) que é da ordem de 1010 m , o nanômetro (nm) da ordem de 109 m e o
micrometro (µm) da ordem de 106 m .
2.2 A hipótese de Planck
M ax Planck, em 1900, iniciou a formulação de uma teoria que pudesse explicar a
“distribuição espectral da radiação térmica”. (NUSSENZVEIG, 1998, p.246)
Seus estudos levaram-no a postular que a troca de energia entre a radiação e os
osciladores nas paredes de uma cavidade ocorria de uma maneira quantizada.
De acordo com essa teoria, “a radiação eletromagnética é emitida e se propaga
descontinuamente, em pequenos pulsos de energia, chamados de pacotes de energia, quanta
ou fótons” (OKUNO; CALDAS; CHOW, 1982, p.3). Sendo que fótons são partículas que não
possuem carga, massa e viajam a velocidade da luz. Por Okuno, Caldas e Chow (1982, p.4) “o
fóton é a menor quantidade de luz que pode ser emitida ou absorvida em qualquer processo”.
Planck percebeu que todos os fótons associados a uma determinada freqüência  ,
possuem a mesma energia E, sendo esta energia diretamente proporcional a  . Assim:
E  h
(5)
onde h é uma constante universal chamada constante de Planck e tem valor aproximado de
6,63  10 34 Js .
A energia E pode ser calculada também em função do comprimento de onda λ.
Utilizando-se a relação expressa na (3), a energia fica:
E
hc

(6)
11
2.3 O efeito fotoelétrico
O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons de uma superfície devido à incidência de
luz sobre a mesma. Este efeito foi descoberto por Henrich Hertz entre 1886 e 1887 quando
confirmou a existência das ondas eletromagnéticas, porém foi explicado com maior clareza
por Albert Einstein em 1905.
Figura 1: Diagrama esquemático do aparelho básico para investigar o efeito fotoelétrico.
Em 1889 P. Lenard realizando estudos sobrre este efeito, descobriu uma série de
características que não condiziam com as esperadas pela teoria ondulatória clássica, como:
1ª - A energia cinética dos fotoelétrons (como eram chamados os elétrons ejetados
pela incidência de luz) deveria aumentar ao se intensificar a intensidade da luz incidente, no
entanto a energia cinética máxima Kmáx se mostrou independente da intensidade da luz.
2ª - O efeito fotoelétrico deveria ocorrer para qualquer freqüência de luz, entretanto
verificou-se que existe para cada material uma freqüência mínima favorável ao efeito
fotoelétrico, a mesma é chamada limiar de freqüência.
3ª - O efeito fotoelétrico poderia levar um intervalo de tempo mensurável para ocorrer
se a luz incidente na superfície fosse de intensidade fraca, mas experimentalmente nenhum
retardamento detectável foi medido.
Estas características intrigantes só foram mais bem compreendidas quando Einstein
lançou sua teoria quântica sobre o efeito fotoelétrico.
2.3.1 A explicação de Einstein para o efeito fotoelétrico
Einstein com base na proposta de quantização feita por Planck, propôs que a radiação
eletromagnética de freqüência  consiste de um quanta de energia, isto é, “que a energia
12
radiante esta quantizada em pacotes concentrados, que mais tarde vieram a ser chamados
fótons” (EISBERG; RESNICK, 1979, p.54). Esta energia é dada por:
E  h
(7)
Ele partiu da suposição de que um fóton fosse completamente absorvido por um único
elétron.
Assim, quando um elétron fosse ejetado da superfície, sua energia cinética seria:
K  h  w
(8)
onde h é a energia do fóton incidente e w é o trabalho necessário para arrancar o elétron da
superfície do material. Não havendo nenhuma perda de energia durante o processo, o elétron
vai emergir com energia cinética máxima. Dessa maneira:
K máx  h  w0
(9)
onde w0 é a função trabalho do material.
Segundo Eisberg e Resnick (1979, p.55) a função trabalho “é a energia mínima
necessária para um elétron atravessar a superfície do metal e escapar às forças atrativas que
normalmente ligam o elétron ao metal”.
Einstein explicou as características não mal compreendidas pela física clássica da
seguinte maneira:
1ª - O fato de a energia cinética máxima ser independente da intensidade da luz, está
de acordo com a teoria do fóton, uma vez que aumentando a intensidade da luz aumenta na
mesma proporção o número de fótons o que acarreta um aumento na corrente elétrica porém,
isso não altera a energia h de cada fóton.
2ª - A existência de uma freqüência limiar é explicada fazendo K máx ser zero na
equação (9), assim:
h 0  w0
(10)
O que significa que um fóton com freqüência  0 tem exatamente a energia necessária
para arrancar os fotoelétrons do material e que se esta freqüência for menor não importando
quantos fótons estão formando o feixe de luz incidente, um fóton individualmente não
conseguirá arrancar fotoelétrons.
13
3ª - A não ocorrência de retardamento temporal é explicada pela hipótese de fóton, já
que havendo luz incidente na superfície haverá ao menos um fóton sendo absorvido por
algum átomo, causando a imediata ejeção de um fotoelétron.
Vale dizer que o efeito fotoelétrico no qual Einstein deu importância ao caráter
corpuscular da radiação, foi um marco na física quântica bem como na vida moderna devido
às suas aplicações.
2.4 O efeito Compton
Arthur H. Compton foi quem confirmou experimentalmente a natureza corpuscular da
luz. Ele incidiu um feixe de raios X de comprimento de onda  sobre um alvo de grafite,
mediu a intensidade dos raios X espalhados para vários ângulos de espalhamento e verificou
que tais raios X possuem máximos de intensidade em dois comprimentos de onda, um deles é
o mesmo que o comprimento de onda incidente  e o outro , , é maior que o  por uma
quantidade  .
O deslocamento Compton varia com o ângulo no qual os raios X espalhados são
observados e é dado por:
 h 
 1  cos  
   ,    
 m0 c 
onde  é o ângulo de espalhamento e
(11)
h
é o comprimento de onda Compton.
m0 c
Os resultados de Compton mostrando a existência de um comprimento de onda , são
compreendidos quando se leva em consideração a natureza corpuscular da radiação.
Diferentemente do efeito fotoelétrico, no efeito Compton os fótons encarados como
partículas são espalhados.
14
2.5 A dualidade onda - partícula
Einstein, em 1905, com o efeito fotoelétrico descobriu o comportamento corpuscular
da onda eletromagnética. Quase vinte anos depois, em 1923, Louis de Broglie apresentou uma
teoria que dizia que a matéria possuía tanto propriedades corpusculares quanto ondulatórias.
De Broglie postulou que o comprimento de onda associado à partículas de momento
p  mv , seria:

h
mv
(12)
que é chamado de comprimento de onda de de Broglie da partícula.
Na equação acima vemos a presença de um elemento que caracteriza as propriedades
ondulatórias (  -o comprimento de onda da onda associada ao corpúsculo) combinado com
outro que exemplifica as propriedades corpusculares (mv -que é respectivamente a massa e a
velocidade do corpúsculo, ou seja, o momento da partícula).
2.6 Algumas radiações e suas características
2.6.1 Radiação alfa
São partículas emitidas pelos núcleos de hélio. Possuem: dois prótons e dois nêutrons
(e por isso são consideradas pesadas), velocidade de emissão em torno de 20.000 Km/s (≈5%
da velocidade da luz) e duas cargas positivas.
Apesar de possuírem baixo poder de penetração, alguns centímetros no ar, possuem
alto poder de ionização.
Com relação à vida humana, no geral a radiação alfa é inofensiva, podendo ser
perigosa se aspirada ou absorvida por ferimentos.
15
2.6.2 Radiação beta
É como se chama o elétron positivo ou negativo emitido pelo núcleo de um átomo
instável. Neste processo de emissão o núcleo diminui um nêutron e aumenta em um próton. A
radiação beta é uma partícula leve que: possui apenas uma carga negativa, perde energia para
o meio rapidamente (o que a faz ter um alcance de até alguns metros no ar), tem baixo poder
de ionização e alta velocidade (em torno de 270.000 Km/s).
2.6.3 Radiação gama
É um tipo de radiação eletromagnética proveniente de reações nucleares. A emissão de
ondas eletromagnéticas ajuda a estabilizar o núcleo, diminuindo sua energia, o resultado é
uma radiação que não possui carga, perde energia para o meio lentamente (o que resulta em
um alto poder de penetração: centímetros de concreto), tem baixo poder de ionização e
velocidade de 300.000Km/s.
A radiação gama é altamente nociva à vida humana.
2.6.4 Radiação X
É a radiação eletromagnética (fótons) produzida pela desaceleração de partículas
carregadas (principalmente elétrons) ou em transições eletrônicas do átomo que sofreu
excitação ou ionização após uma interação.
A radiação X possui as mesmas características da gama, sendo que a mesmas diferem
apenas no processo de formação.
2.6.5 Radiação de nêutrons
É mais um tipo de radiação proveniente de reações nucleares. Não possui carga e não
produz ionização diretamente. Nêutrons transferem energia para outras partículas e estas
16
produzem ionização, é por esse motivo que a produção de ionização para esta radiação é
variável.
2.6.6 Radiação de fundo ou natural
É a radiação proveniente de elementos naturais radioativos existentes na crosta
terrestre em junção com a radiação solar e a radiação cósmica, que é formada por partículas
carregadas e íons de alta energia.
17
CAPÍTULO III
ACELERADORES DE PARTÍCULAS
3.1 Definição de aceleradores
Os aceleradores de partículas são máquinas constituídas de fontes de partículas
carregadas que se utilizam de campos elétricos e magnéticos para acelerar e controlar a
direção de tais partículas conferindo a elas altas energias. São classificados quanto a
disposição dos campos eletromagnéticos em cíclicos e lineares.
Exemplos de aceleradores existem nas televisões, nos geradores de raios X, na
produção de isótopos radioativos, na radioterapia, na radiografia de uso industrial e na
polimerização de plásticos.
3.2 Tubos de raios catódicos
Figura 2-Esquema do tubo de raios catódicos.
Tubos de raios catódicos são aceleradores de partículas comuns em televisões e
computadores. Nestes aceleradores, elétrons ganham energia no cátodo (que é um filamento
aquecido colocado em um vácuo dentro de um tubo de vidro) e são atraídos pelo ânodo, o
resultado é a formação de um raio pelo fluxo de elétrons, que na televisão, por exemplo,
18
atingirá uma tela plana revestida de fósforo que brilhará. Este brilho terá sua cor definida
conforme o ponto da tela.
3.3 Aceleradores lineares
Os aceleradores lineares aceleram partículas ao longo de trajetórias retilíneas.
São máquinas que obedecem ao princípio de ressonância e operam com a utilização de
um tubo no qual os campos elétricos estão a cada instante contribuindo para o aumento da
energia das partículas.
3.4 Aceleradores cíclicos
Os aceleradores cíclicos desempenham basicamente as mesmas funções dos lineares ,
com a diferença de que impulsionam as partículas a passarem várias vezes ao longo de
trajetórias circulares pela ação de campos magnéticos em espiral ou circular.
Existem vários tipos de aceleradores cíclicos entre eles o cíclotron, o síncrono e o
microton.
3.5 Cíclotron
Figura 3: Esquema do acelerador ciclotron.
19
É um aparelho que também utiliza o princípio de ressonância e que acelera partículas a
altas energias.
No cíclotron o movimento circular dos íons ocorre dentro de duas câmaras metálicas
em forma de semi-círculos (também chamadas de Ds) alimentadas por uma fonte de voltagem
alternada. No interior dessas câmaras é aplicado um campo magnético uniforme, intenso e
perpendicular à superfície. A aceleração é feita alternando-se o potencial entre as câmaras.
Deve-se tomar o cuidado de controlar a freqüência da fonte de voltagem alternada para que os
íons sejam acelerados continuamente.
A energia cinética máxima de uma dada partícula carregada pode ser estimada em
termos do raio das câmaras pela seguinte equação:
K máx 
q 2 B2 R 2
2m
(13)
onde:
q= a carga da partícula;
B= campo magnético entre as câmaras;
R= o raio das câmaras;
m= a massa da partícula.
Segundo Serway (1996, p.168) “quando a energia dos íons exceder a cerca de 20 MeV,
os efeitos relativísticos começam a ser importantes, e as massas dos íons não são constantes”.
Assim para acelerar íons a energias relativísticas utilizam-se os aceleradores síncronos.
3.6 Síncronos
Os aceleradores síncronos aceleram partículas a energias muito altas. Possuem
funcionamento parecido com o dos cíclotrons, porém utilizam um princípio conhecido como
estabilidade de fase, mantendo sincronismo entre o campo magnético aplicado e a freqüência
da revolução da partícula.
20
Os aceleradores síncronos que possuem campo magnético constante e a freqüência
variável são chamados sincrocíclotrons. Quando o contrário acontece, a freqüência se mantém
constante e o campo magnético variável, são chamados de síncrotrons.
3.7 Microton
Figura 4: Ilustração do que ocorre no microton.
Nesse tipo de acelerador os elétrons são acelerados em uma cavidade ressonante
posicionada no interior de uma câmara, onde existe um campo magnético uniforme, que faz
com que as trajetórias sejam circulares e os elétrons retornem a cavidade ressonante, onde são
novamente acelerados.
Para que os elétrons estejam em sincronismo com a RF, deve ser satisfeita a
condição de ressonância, dada por:
2  E
 n B
c q
onde:
E  ganho de energia pela pass agem na cavidade;
c  velocidade da luz no vácuo;
q  carga da partícula (el étron);
 0  comprimento de onda no espaço livre;
B  densidade de fluxo magnético.(FIGUEREDO, 2002, p.6)
21
CAPÍTULO IV
RADIOTERAPIA COM FEIXE DE ELÉTRONS E MÁQUI NAS DE
TELETERAPIA
4.1 O que é a radioterapia?
“A Radioterapia ou Radioncologia é uma especialidade médica que emprega as
irradiações no tratamento de diversas doenças.” [1]
A radiação utilizada na radioterapia é chamada radiação ionizante. Essa radiação
ioniza os átomos e moléculas retirando os elétrons que se movem em torno do núcleo, esses
átomos buscando estabilidade se juntam a outras moléculas que também perderam elétrons,
isso causa uma desorganização no metabolismo celular.
As células danificadas, de um câncer, por exemplo, crescem e se multiplicam muito
mais rapidamente que as células normais. A ação fundamental da irradiação é a de bloquear a
divisão celular por lesão do DNA ou por destruição direta das células, principalmente na fase
de multiplicação celular.
Existem várias modalidades de radioterapia, mas as principais são a braquiterapia e a
teleterapia. “A braquiterapia é um tipo de radioterapia na qual as fontes de radiação estão
muito próximas do volume - alvo”[2], ou seja, a radiação está em contato direto com a
superfície a ser irradiada. Já a teleterapia é uma modalidade de radioterapia em que a fonte de
radiação é externa ao paciente.
A teleterapia “envolve a utilização de feixes de radiação ionizantes, tais como elétrons,
prótons, nêutrons, íons pesados ou raios-X”.(SOARES, 2006, p.1)
Entre os equipamentos utilizados na teleterapia estão os aceleradores lineares.
4.2 Motivos para a utilização de feixe de elétrons em radioterapia
O feixe de elétrons possui a característica de perder energia para o meio
imediatamente após sua emissão, o que não acontece com o feixe de fótons que perde energia
primeiramente para o elétron para depois transferir energia para o meio.
22
A transferência de energia do elétron para o meio ocorre de maneira fracionada, de
forma que sua energia total será dissipada após muitas colisões.
Os processos de interação dos elétrons com o meio são do tipo: colisão inelástica para
elétrons orbitais, o que para elétrons de baixa energia resulta na perda de energia cinética
causando ionização e excitação; interação inelástica com núcleos atômicos resultando numa
emissão de raios X e ainda, espalhamento elástico com elétrons orbitais e o núcleo, o que
causa mudança na trajetória do elétron.
Para ser utilizado em tratamentos clínicos, o feixe de elétrons passa pelo processo de
colimação, que tem a finalidade de limitar o tamanho do campo de ação do feixe e também
pelo processo de achatamento influenciado pelas folhas espalhadoras, que como o próprio
nome diz, espalham o feixe de elétrons a um tamanho clinicamente usual.
No que diz respeito à imensa utilização de elétrons na radioterapia nos dias de hoje,
pode-se dizer que é possível devido aos grandes avanços tecnológicos na computação bem
como nos aceleradores.
4.3 Energia do feixe de elétrons
Antes de passar pela janela do acelerador, o feixe de elétrons é essencialment e
monoenergético e sua energia é igual à energia acelerada. Porém, quando essa energia
atravessa diversos materiais, folhas espalhadoras, monitores, espelhos, etc., ela é degradada e
começa a formar um espectro de energia na superfície de interação, tornando-se mais
abrangente em profundidade.
A energia E0 do feixe de elétrons na superfí cie é dada por:
E0 = C1 + C2 Rp + C3 (Rp )2
onde, para a água:
C 1 = 0,22MeV
C 2 = 1,98MeVcm-1
C 3 = 0,0025MeVcm-2
R p = alcance prático em cm que pode s er det erminado graficamente. (SCAFF, 1997,
p.223)
23
Para fins clínicos, a energia de interesse do feixe é a mais provável na superfície do
paciente. Para determinação do alcance prático utiliza-se a curva de dose profunda medida
para o feixe.
4.4 Raios X de quilovoltagem
Os raios X de quilovoltagem são aqueles produzidos nos tubos tradicionais toda vez
que uma substância é bombardeada com elétrons de grande velocidade. Por sua vez tubos
considerados tradicionais são os que consistem de um cátodo e um ânodo, inseridos numa
ampola de vidro na qual é feito vácuo. O cátodo é formado por um filamento helicoidal de
tungstênio (W) que tem ponto de fusão acima de 3300°C.
Ao aquecer o filamento, elétrons são liberados termoionicamente e acelerados em
direção ao ânodo por meio de uma diferença de potencial entre o filamento (negativa) e o
ânodo (positiva), constituindo uma corrente eletrônica. Estes elétrons acelerados, ao colidirem
com o ânodo (alvo), têm parte de sua energia convertida em raios X.
Estes raios X são emitidos do alvo em todas as direções. Em função disso a ampola é
envolvida com uma carapaça metálica blindando esta radiação, de forma que apenas uma
parte dela, chamada feixe útil, será utilizada nos tratamentos radioterápicos. Este feixe é
obtido através do colimador primário.
Para que os elétrons percam o mínimo possível de energia durante seu caminho do
filamento ao alvo, no tubo é feito vácuo tanto quanto possível.
A energia destes elétrons é fornecida pelo produto de sua carga pela voltagem
aplicada.
No tubo, a corrente de elétrons é da ordem de miliámpere e a voltagem da ordem de
quilovolt.
Normalmente, devido às voltagens usadas em radioterapia com equipamentos
convencionais, cerca de 1% da energia dos elétrons é convertida em raios X e 99% em calor.
24
4.5 Terapias com equipamentos de quilovoltagem
Os equipamentos de quilovoltagem estão entre as máquinas utilizadas na radioterapia.
As terapias com equipamento de quilovoltagem são classificadas de acordo com a
energia do feixe de raios X em: terapia de contato, terapia superficial e terapia profunda ou
ortovoltagem.
4.5.1 Terapia de contato
Esse tipo de terapia opera com potenciais entre 30 e 50KVp (kilo volt pico), 2mA de
corrente, distância foco-superficie de 2 cm e filtração entre 0,5 e 1mmAl. Podendo ter um
alcance nos tecidos de até 2 cm.
4.5.2 Terapia superficial
Opera com potenciais de 50 a 150KVp, correntes entre 10 e 20mA, distância focosuperficie variando de 20 a 40cm e filtração entre 1 e 6mmAl.
4.5.3 Terapia profunda ou ortovoltagem
Nesta terapia o equipamento de raios X atua com potenciais entre 150 e 300KVp,
correntes entre 10 e 20mA, distância foco-superfície de 30 a 50cm e filtração entre 1 e
4mmCu.
25
Figura 5 – Raio X de quilovoltagem - Ortovoltagem (Stabilipan)
4.6 Equipamentos de telecobaltoterapia
Outras máquinas utilizadas na teleterapia são os equipamentos de cobaltoterapia.
Os equipamentos de cobaltoterapia são de fundamental importância nos tratamentos
que envolvem a radiação externa, nos mesmos “o radioisótopo Co60 encontra-se confinado em
um cilindro metálico de aproximadamente 2cm de diâmetro x 2cm de altura constituindo
assim a fonte de cobalto 60”[3].
Raios gama são emitidos quando a cápsula que comporta a fonte radioativa, como o
cobalto 60, contida no aparelho é aberta. Por conter material radioativo este tipo de
equipamento requer cuidados especiais a fim de se evitar acidentes.
Figura 6 - Foto do aparelho de telecobaltoterapia (Gammatron) do Serviço de Radioterapia do Hospital
de Caridade de Florianópolis.
26
CAPÍTULO V
ACELERADORES LINEARES
5.1 O que é este equipamento de megavoltagem?
Os aceleradores lineares são equipamentos utilizados na teleterapia que merecem
atenção especial.
Aceleradores lineares são máquinas que aceleram partículas ao longo de trajetórias
retilíneas. Sua vantagem em relação aos equipamentos de quilovoltagem é a obtenção de raios
X com energias da ordem de megavolts.
Se tomarmos duas placas metálicas em forma de disco, com um orifício no meio,
paralel as e ligadas entre si por uma tensão constant e, e abandonarmos um elétron no
centro do ori fício da pl aca negativa, ele, por força do campo elétrico cri ado, irá em
direção da placa positiva. Se isto ocorrer no vácuo, o elét ron, inicialmente parado,
ganhará mais energi a e consegui rá ultrapassar sem di ficuldade a placa positiva.
(SCAFF, 1997, p.238)
Se ao invés de um, for colocado uma série de discos ligados aos pares e nos mesmos
forem utilizadas fontes de tensão alternadas capazes de criar campos elétricos variáveis, o
resultado será uma aceleração ainda maior do elétron.
Figura 7 – Esquema de discos paralelos.
A utilização de um tubo no qual os campos elétricos estão a cada instante contribuindo
para o aumento da energia do elétron é o princípio básico de funcionamento dos aceleradores
27
lineares, com a diferença de que nestes tipos de aceleradores são utilizadas ondas de radiofreqüência (RF) de 3000 M Hz, “que como todas as radiações eletromagnéticas são campos
alternados, elétrico e magnético” (SCAFF, 1997, p.239).
Quando um agrupamento de elétrons é injetado em um feixe de ondas de radiofreqüência, ele fica sujeito à força aplicada pelo campo elétrico e tende a ser levado pelas
ondas. Estas ondas de radio-freqüência por sua vez, que são provenientes de válvulas
especiais chamadas magnetron ou klystron (a denominação dependerá da energia) são
enviadas a um tubo cilíndrico que possui em seu interior discos metálicos com pequeno
orifício no meio, este tubo é chamado de acelerador e é nele que os elétrons são acelerados até
a energia desejada.
As ondas de radio-freqüência em condições especiais podem viajar a uma velocidade
muito menor que a velocidade da luz no vácuo. Isso pode ser corrigido, fazendo as mesmas
ultrapassarem um tubo acelerador que aumentará progressivamente a velocidade destas ondas.
De acordo com Scaff (1997, p.239) “o comprimento de onda (λ) é da ordem de 10 cm
e o comprimento da estrutura aceleradora é determinado pela energia máxima desejada dos
elétrons”. Dessa maneira as estruturas aceleradoras devem ser projetadas de modo a garantir a
sincronização entre o campo e a velocidade dos elétrons.
Após a passagem pelo tubo acelerador, os elétrons já acelerados formam um feixe
paralelo da ordem de 3 mm de diâmetro que é dirigido a um alvo metálico com a finalidade de
produzir raios X. “Em alguns aceleradores, este alvo pode ser removido quando desejado e os
elétrons colidem em lâmina metálica bem fina para ser espalhados e termos um feixe de
elétrons para tratamentos radioterápicos”. (SCAFF, 1997, p.240)
Na maioria dos aceleradores lineares, o tubo acelerador é colocado horizontalment e
devido ao seu grande tamanho, isso faz com que o feixe de elétrons sofra uma deflexão
magnética antes de colidir com o alvo.
Uma outra característica dos aceleradores é o fato de não manterem a taxa de dose
constante, em função de oscilações de alguns de seus componentes. Para corrigir esta
característica o acelerador é calibrado por meio de duas câmaras de ionização que garantem o
mantimento da dose esperada.
É comum a qualidade dos feixes de raios X de megavoltagem produzidos por
aceleradores lineares ser especificada em termos do quociente da relação tecido-meio sendo
28
que “para as profundidades de 20 cm e 10 cm, para uma distância fixa da fonte ao detetor e
para um campo de 10 cm por 10 cm no plano do detetor”. (SCAFF, 1997, p.240)
5.1.1 Componentes de um acelerador linear
Os aceleradores lineares possuem basicamente os seguintes componentes:
M agnetron, Klystron ou circuito de radio-freqüência – São fontes de microondas para
a aceleração dos elétrons, que são utilizadas de acordo com a energia desejada.
Fonte ou canhão de elétrons – Área responsável pela geração dos elétrons que serão
acelerados.
Bomba iônica de vácuo – Parte responsável por manter vácuo em toda a estrutura
aceleradora.
Alvo – Utilizado para a produção de raios X.
Circulador e carga de água – Fazem a absorção da onda de rádio-freqüência que não é
absorvida pelo tubo acelerador.
M agneto – Utilizado para defletir os elétrons que saem do tubo acelerador de modo
que colidam com o alvo ou cheguem às lâminas espalhadoras de feixe de elétrons.
Filtro achatador – Cone metálico utilizado para modificar a isodose.
Lâminas espalhadoras – Espalham os elétrons para formarem os feixes de elétrons
utilizados nos tratamentos radioterápicos.
Câmaras de ionização – Equipamentos utilizados para fornecerem medidas da
quantidade de radiação fornecida pelo acelerador e também para controlar a simetria do feixe.
Sistema óptico – Produz um campo luminoso coincidente do o campo de radiação.
Indicador óptico – M ostra a distância foco-superfície.
Colimadores – Têm função de definir o campo a ser tratado, existem os formados por
blocos de tungstênio que se movem com a ajuda de motores para determinar o campo de
irradiação e os multifolhas, mais utilizados atualmente.
Isocentro – Ponto virtual no qual o eixo central do campo de rotação e o eixo de
rotação dos colimadores se interceptam
29
Contrapeso – Componente usado para equilibrar a distribuição de massa no acelerador.
Campo de radiação – Estrutura que aloja o feixe de elétrons ou de fótons.
Braço (gantry) – Elemento no qual é montado o acelerador e que pode girar 360°.
Guia de onda – Tem a finalidade de carregar as microondas ao tubo acelerador.
Desviação – Direciona o feixe de elétrons através de 270 graus de curvatura para a
área do colimador.
Carrossel – Sistema móvel que seleciona um filtro espalhador para cada energia de
elétrons ou um equalizador para diferentes energias de fótons.
Circuito de água – Faz a circulação de água por todo o equipamento, mantendo a
refrigeração do mesmo.
Indicadores digitais – Indicam angulação do braço, de rotação da coluna, etc.
Na figura abaixo estão representados os componentes principais de um acelerador
linear.
Figura 8 - Esquema de um acelerador linear. 1. Fonte de elétrons. 2. Alvo. 3. Feixe de elétrons ou
fótons. 4. Mesa de tratamento.
30
Figura 9 - Graus de liberdade de aceleradores lineares e simuladores. 1. Rotação do braço. 2. Distância
foco-eixo. 3. Rotação do colimador. 4 e 5. Movimentos lateral e longitudinal do intensificador de imagem
(somente simulador). 6, 7 e 8. Movimentos vertical, longitudinal e lateral da mesa. 9. Rotação da mesa no
pedestal. 10. Rotação da mesa no isocentro.
Figura 10 - Foto do Acelerador Linear do Serviço de Radioproteção do Hospital de Caridade de
Florianópolis.
31
CONCLUSÃO
As células do nosso corpo estão constantemente se reproduzindo, por um processo
chamado mitose, de maneira controlada ao longo de nossas vidas. Porém em algumas
ocasiões pode ocorrer que essas células se multipliquem mais rapidamente resultando na
formação de massas celulares denominadas neoplasias ou tumores. O processo neoplástico de
alterações no DNA da célula e multiplicação da mesma é o que resulta no câncer.
Atualmente dentre os vários recursos existentes para o tratamento do câncer podemos
destacar a radioterapia em uma das suas modalidades: a teleterapia. Nessa modalidade
equipamentos de quilovoltagem, megavoltagem (aceleradores lineares) e cobaltoterapia são
utilizados.
Nos aceleradores lineares uma fonte geradora de elétrons envia os mesmos em um
tubo acelerador onde serão acelerados, saindo do tubo acelerador esses elétrons colidirão com
um alvo metálico onde parte da sua energia será convertida em raios X e o restante continuará
num processo que resultará em feixes de elétrons utilizáveis na radioterapia.
Esses feixes de elétrons produzidos pelos aceleradores lineares são de várias energias
o que permite a utilização de um único equipamento em múltiplos tratamentos, sem falar nos
raios X emitidos. Essa versatilidade dos aceleradores lineares constitui uma grande vantagem
na utilização dos mesmos em radioterapia uma vez que em razão dela tanto lesões superficiais
como profundas podem ser tratadas.
Outra vantagem da utilização dos aceleradores lineares é que eles oferecem uma maior
segurança uma vez que são equipamentos eletrônicos que quando desligados não produzem
qualquer tipo de radiação. O que já não acontece com equipamentos de telecobaltoterapia, por
exemplo, que possuem uma fonte radioativa em seu interior.
Com relação aos equipamentos de quilovoltagem os aceleradores recebem preferência
pelo fato de produzirem feixes de energias da ordem de mega-elétrons-volts.
32
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] CENTRO DE ONCOLOGIA CASCAVEL – CEONC. Radioterapia. Disponível em: <
http://www.ceonc.com.br/radioterapia.htm>. Acesso em: 8 out. 2007.
[2]SOCIEDADE BRASILEIRA DE RADIOTERAPIA – SBRT. Radioterapia. Disponível
em: <http://www.sbradioterapia.com.br/booklet.doc>. Acesso em: 9 out. 2007.
[3]INSTITUTO NACIONAL DO CÂNCER – INCA. Programa de qualidade em
radioterapia: Curso de atualização para técnicos em radioterapia. Disponível em:
<http://www.inca.gov.br/pqrt/download/tec_int/PQRT_curso_atual_rdtrp_p3.pdf>.
Acesso em: 9 out. 2007.
EISBERG, Robert. RESNICK, Robert. Física quântica: átomos, moléculas, sólidos, núcleos
e partículas. Tradutores: Paulo Costa Ribeiro. Enio Frota da Silveira. M arta Feijó
Barroso. Rio de Janeiro: Campus, 1979.
FIGUEREDO, M ilitão V. Projeto, construção e teste de uma rede de microondas para
alta potência. Tese (Doutorado em Ciências) – Instituto de Física da Universidade de
São
Paulo
–
USP,
São
Paulo,
2003.
Disponível
em:
<http://axpfep1.if.usp.br/~militao/PHD/DOUTORcc33.pdf>. Acesso em: 4 out. 2007.
NUSSENZVEIG, H. M oysés. Curso de física básica: ótica relatividade e física quântica. 1.
ed. São Paulo: Edgard Blücher Ltda, 1998, 4 v.
OKUNO, Emiko; CALDAS, Iberê L.; CHOW, Cecil. Física para ciências biológicas e
biomédicas. São Paulo: HARBRA, 1982.
SCAFF, Luiz A. M . Física da radioterapia. São Paulo: Sarvier, 1997.
SERWA Y, Raymond A. Física 3: eletricidade, magnetismo e ótica. Tradutor: Horacio
M acedo. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1996.
SOARES, Alessandro F. S. N. Doses ocupacionais devido a nêutrons em salas de
aceleradores lineares de uso médico. Tese (Doutorado em ciências) – Coordenação
dos Programas de Pós-graduação em engenharia da Universidade do Rio de Janeiro –
COPPE/UFRJ,
Rio
de
Janeiro,
2006.
Disponível
em:
<http://www.con.ufrj.br/DScTeses/Facure/Tese%20facure.pdf>. Acesso em: 15 out.
2007.