Introdução a Física Médica
Introd. Física
Médica
• Aula 06
Medicina nuclear
• Prof. Nasser
Introdução a Física Médica
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A ESTRUTURA DA MATÉRIA E O ÁTOMO
ESTRUTURA DO NÚCLEO
OS ISÓTOPOS
RADIOATIVIDADE
RADIAÇÃO ALFA OU PARTÍCULA ALFA
RADIAÇÃO BETA OU PARTÍCULA BETA
RADIAÇÃO GAMA
PARTÍCULAS E ONDAS
ATIVIDADE DE UMA AMOSTRA
DESINTEGRAÇÃO OU TRAMUTAÇÃO RADIOATIVA
MEIA-VIDA
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Introdução a Física Médica
A ESTRUTURA DA MATÉRIA E O ÁTOMO
Radioatividade. Apostila educativa. Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) .ELIEZER DE MOURA CARDOSO. Colaboradores:
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Ismar Pinto Alves; José Mendonça de Lima; Luiz Tahuata; Paulo Fernando Heilbron Filho; Claudio Braz; Sonia Pestana.
OS ISÓTOPOS
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Introdução a Física Médica
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O número de nêutrons no núcleo pode ser variável, pois eles não têm carga
elétrica.
Com isso, um mesmo elemento químico pode ter massas diferentes.
Átomos de um mesmo elemento químico com massas diferentes são
denominados isótopos.
O hidrogênio tem 3 isótopos: o hidrogênio, o deutério e o trício (ou trítio).
O urânio, que possui 92 prótons no núcleo, existe na natureza na forma de 3 isótopos:
· U-234, com 142 nêutrons (em quantidade desprezível);
· U-235, com 143 nêutrons, usado em reatores, após enriquecido (0,7%);
· U-238, com 146 nêutrons no núcleo (99,3%).
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Introdução a Física Médica
RADIOATIVIDADE
Introdução a Física Médica
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O esquecimento de uma rocha de urânio sobre um filme fotográfico virgem levou
à descoberta de um fenômeno interessante: o filme foi velado (marcado) por
alguma coisa que saía da rocha, na época denominada raios ou radiações.
Outros elementos pesados, com massas próximas à do urânio, como o rádio e o
polônio, também tinham a mesma propriedade.
O fenômeno foi denominado radioatividade e os elementos que apresentavam
essa propriedade foram chamados de elementos radioativos.
Comprovou-se que um núcleo muito energético, por ter excesso de partículas ou
de carga, tende a estabilizar-se, emitindo algumas partículas.
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Introdução a Física Médica
Nobeis
• Maria Skłodowska-Curie
• 1903 (Fís.) dividido com seu marido
Pierre Curie e Becquerel pelas suas
descobertas no campo da radioatividade
• 1911 (Quím.) Descobriu os elementos
químicos rádio e polônio.
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Introdução a Física Médica
RADIAÇÃO ALFA OU
PARTÍCULA ALFA
• Um dos processos de
estabilização de um núcleo com
excesso de energia é o da
emissão de um grupo de
partículas positivas, constituídas
por dois prótons e dois
nêutrons, e da energia a elas
associada. São as radiações
alfa ou partículas alfa, núcleos
de hélio (He), um gás chamado
“nobre” por não reagir
quimicamente com os demais
elementos.
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RADIAÇÃO BETA OU
PARTÍCULA BETA
Introdução a Física Médica
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Outra forma de estabilização, quando existe no núcleo um excesso de
nêutrons em relação a prótons, é através da emissão de uma partícula
negativa, um elétron, resultante da conversão de um nêutron em um
próton.
É a partícula beta negativa ou, simplesmente, partícula beta. No caso de
existir excesso de cargas positivas (prótons), é emitida uma partícula
beta positiva, chamada pósitron, resultante da conversão de um
próton em um nêutron.
Portanto, a radiação beta é constituída de partículas emitidas por um
núcleo, quando da transformação de nêutrons em prótons (partículas
beta) ou de prótons em nêutrons (pósitrons).
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Introdução a Física Médica
RADIAÇÃO GAMA
• Geralmente, após a emissão de uma partícula alfa (α
α)
ou beta (β
β ), o núcleo resultante desse processo,
ainda com excesso de energia, procura estabilizar-se,
emitindo esse excesso em forma de onda
eletromagnética, da mesma natureza da luz,
denominada radiação gama.
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PARTÍCULAS E ONDAS
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Introdução a Física Médica
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Conforme foi descrito, as radiações
nucleares podem ser de dois tipos:
a) partículas, possuindo massa, carga
elétrica e velocidade, esta dependente do
valor de sua energia;
b) ondas eletromagnéticas, que não
possuem massa e se propagam com a
velocidade de 300.000 km/s, para qualquer
valor de sua energia.
São da mesma natureza da luz e das ondas
de transmissão de rádio e TV.
A identificação desses tipos de radiação foi
feita utilizando-se uma porção de material
radioativo, com o feixe de radiações
passando por entre duas placas polarizadas
com um forte campo elétrico.
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Introdução a Física Médica
•
Uma outra forma de se demonstrar o poder de blindagem dos materiais
seria sua comparação com a espessura relativa do chumbo que possui,
em geral, maior poder de blindagem.
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Introdução a Física Médica
Tipos de radiações ionizantes
Tipo da Radiação
Energia (MeV)
Velocidade (m /s)
Alfa (α)
1a4
7,0×106 a 1,4×107
Beta (β)
0,1 a 1
Nêutron
2,5×10-8 a 0,1
1,6 ×108 a
2,8×108
2,2×103 a 1,4×107
Próton
1
1,4×108
Raio X
Qualquer
3,0×108
Raio gama (γ)
Qualquer
3,0×108
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Introdução a Física Médica
ATIVIDADE DE UMA AMOSTRA
• Os núcleos instáveis de uma mesma espécie (mesmo elemento
químico) e de massas diferentes, denominados radioisótopos,
não realizam todas as mudanças ao mesmo tempo.
• As emissões de radiação são feitas de modo imprevisto e não se
pode adivinhar o momento em que um determinado núcleo irá emitir
radiação.
• Entretanto, para a grande quantidade de átomos existente em uma
amostra é razoável esperar-se um certo número de emissões ou
transformações em cada segundo.
• Essa “taxa” de transformações é denominada atividade da
amostra.
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Introdução a Física Médica
UNIDADE DE ATIVIDADE
• A atividade de uma amostra com átomos
radioativos (ou fonte radioativa) é medida em:
Bq (Becquerel) = 1 desintegração por segundo
Ci (Curie) = 3,7 x 1010 Bq
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DECAIMENTO OU TRANSMUTAÇÃO
RADIOATIVA
• Núcleos com excesso de energia tende a estabilizar-se, emitindo
Introdução a Física Médica
partículas alfa, beta ou gama.
• Em cada emissão de uma dessas partículas, há uma variação do
número de prótons no núcleo, isto é, o elemento se transforma ou se
transmuta em outro, de comportamento químico diferente.
• Essa transmutação também é conhecida como desintegração
radioativa, designação não muito adequada, porque dá a ideia de
desagregação total do átomo e não apenas da perda de sua
integridade.
• Um termo mais apropriado é decaimento radioativo, que
sugere a diminuição gradual de massa e atividade.
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Introdução a Física Médica
MEIA-VIDA
• Cada elemento radioativo, seja natural ou obtido artificialmente, se
transmuta (“decai”) a uma velocidade que lhe é característica.
• Para se acompanhar a duração (ou a “vida”) de um elemento
radioativo foi preciso estabelecer uma forma de comparação.
• Por exemplo, quanto tempo leva para um elemento radioativo ter
sua atividade reduzida à metade da atividade inicial ?
• Esse tempo foi denominado meia-vida do elemento.
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MEIA-VIDA (T1/2)
Introdução a Física Médica
• Tempo necessário para a atividade (A) de um
elemento radioativo ser reduzida à metade da
atividade inicial (A0/2).
A = A 0e
− µt
T1 =
2
ln 2
µ
• A0 é a atividade inicial (em t=0),
• t é o tempo e
• µ é uma constante, que depende do RI.
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MEIA-VIDA
• Isso significa que, para cada meia-vida que passa, a atividade vai
Introdução a Física Médica
sendo reduzida à metade da anterior, até atingir um valor
insignificante, que não permite mais distinguir suas radiações das
do meio ambiente.
• Dependendo do valor inicial, em muitas fontes radioativas
utilizadas em laboratórios de análise e pesquisa, após 10 (dez)
meias vidas, atinge-se esse nível.
• Entretanto, não se pode confiar totalmente nessa “receita” e sim
numa medida com um detector apropriado, pois, nas fontes
usadas na indústria e na medicina, mesmo após 10 meias-vidas, a
atividade da fonte ainda é geralmente muito alta.
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Introdução a Física Médica
DECAIMENTO RADIOATIVO:
Transição Isomérica e Conversão Interna
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Introdução a Física Médica
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O decaimento de um núcleo (‘pai’) no estado metaestável (ou isomérico) em um outro
núcleo (‘filho’) pela emissão de um fóton γ é chamado de transição isomérica.
Os núcleos ‘filhos’ de um ‘pai’ radioativo podem ser metaestáveis. Não há diferenças
entre o decaimento por emissão γ de um estado excitado ou um metaestável, apenas o
tempo de vida médio maior para o metaestável [Sorenson, 87].
Devido à sua meia-vida relativamente longa (da ordem de horas/dias), os
radionuclídeos metaestáveis são de grande importância na medicina nuclear, pois
eles são fontes de fótons γ relativamente ‘puros’.
A medicina nuclear se utiliza, geralmente, de elementos que emitem como única, ou
principal, partícula os fótons γ.
O radionuclídeo atualmente mais largamente utilizado em medicina nuclear é o
tecnécio-99m (99mTc). O 99mTc é metaestável. Este radioisótopo é 'filho' do
molibdênio (99Mo).
é um emissor γ puro e emite fótons γ de energia de 140 keV com meiavida física de 6 horas [Bernier, 81].
O
99mTc
Figura 2.1 (A) a transmutação
nuclear do molibdênio (99Mo) em
99mTc, deste para 99Tc e deste
para o rutênio (99Ru) (extraído de
Bernier, 81);
(B) os níveis de energia do
decaimento do tecnécio-99m
(extraído de Sorenson, 87).
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UM EXEMPLO PRÁTICO
Introdução a Física Médica
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•
Vejamos o caso do iodo-131, utilizado em Medicina Nuclear para
exames de tireóide, que possui a meia-vida de oito dias. Isso significa
que, decorridos 8 dias, atividade ingerida pelo paciente será reduzida à
metade. Passados mais 8 dias, cairá à metade desse valor, ou seja, ¼
da atividade inicial e assim sucessivamente.
Após 80 dias (10 meias vidas), atingirá um valor cerca de 1000 vezes
menor.
Entretanto, se for necessário aplicarse uma quantidade maior de iodo-131
no paciente, não se poderia esperar
por 10 meias-vidas (80 dias - meia
vida física), para que a atividade na
tireoide tivesse um valor desprezível.
Isso inviabilizaria os diagnósticos que
utilizam material radioativo, já que o
paciente seria uma fonte radioativa
ambulante e não poderia ficar
confinado durante todo esse período.
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A MEDICINA NUCLEAR
• A
medicina
nuclear
(ou
simplesmente
Introdução a Física Médica
cintilografia)
permite a obtenção de
informações fundamentalmente fisiológicas.
• A medicina nuclear tem a vantagem de
apresentar estes informações na forma de
imagens.
• Para se obter estas imagens é necessário
que se marquem as áreas de interesse,
geralmente um órgão ou parte deste, com um
fármaco ligado a um radionuclídeo, chamado
de radiofármaco, que tenha afinidade por
aquele órgão ou estrutura.
F-18 FDG whole body PET acquisition, showing
abnormal focal uptake in the liver. Normal isotope
levels are seen in the brain, renal collection systems,
and bladder. Image is rotating clockwise.
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Introdução a Física Médica
• Figura 2.2 A) Sistema de rastreamento retilíneo. B) exemplo de
um exame de tireóide usando o 131I ( extraídos de Sorenson, 87).
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Introdução a Física Médica
A CÂMARA DE CINTILAÇÃO
OU GAMA CAMARA
• É um detector de fótons.
• Tem a capacidade de discriminá-los em sua energia e
sua distribuição espacial
• Gera imagens representando esta distribuição em filmes
ou em uma tela de computador.
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Introdução a Física Médica
Componentes básicos de uma câmara de cintilação
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•
Colimadores
Cristal cintilador
Conjunto de tubos fotomultiplicadores
Amplificador /analisador de altura de pulso
Circuito lógico de posição X-Y
Tubo de raios catódicos ou computador
Esquema de uma câmara de
cintilação (extraído de Sorenson, 87).
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Introdução a Física Médica
Colimadores
Figura 2.4 (A) colimador de furos paralelos: o objeto (a) projeta a mesma imagem (b)
na face do cristal, o campo de visão (field of view) não varia com a distância ao
colimador; (B) Colimador de Furos Divergentes: o tamanho da imagem (b) é menor que
tamanho do objeto (a); (C) colimador Pinhole; e (D) colimador de furos Convergentes:
produz uma imagem (b) magnificada de um objeto (a) (extraído de Chandra, 87).
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Introdução a Física Médica
Cristal Cintilador de NaI(Tl)
• Cristal sólido inorgânico de iodeto de sódio ativado com pequenas
quantidades de tálio [NaI(Tl)]
• Partículas γ ou β, vinda de algum radionuclídeo, podem causar
ionizações e excitações dos átomos ao interagir com o meio, pela
deposição de energia neste meio.
• Quando o produto dessas ionizações e excitações se recombinam ou
se desexcitam, há liberação de energia.
• Certos materiais liberam esta energia na forma de luz visível.
• Estes materiais são chamados de cintiladores e a luz produzida é a
cintilação.
• A cintilação (quantidade de luz produzida por um único fóton γ ou
partícula β) é muito pequena.
• Dimensões típicas de um cristal cintilador usado em medicina nuclear
são 1,25 cm de espessura entre 30 e 50 cm de diâmetro.
• Principal propriedade do detector de NaI(Tl): produz um sinal de
saída para os tubos fotomultiplicadores (abaixo) proporcional em
amplitude à quantidade da energia absorvida no cristal.
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Tubos fotomultiplicadores (PMT)
Introdução a Física Médica
• Tubos eletrônicos que produzem um
pulso de corrente elétrica quando
estimulados com uma pequena
quantidade de cintilação, produzida
por partículas β ou raios γ incidentes
sobre o cristal de NaI(Tl).
• O PMT é formado pelo cátodo,
estágios de dinodos e pelo ânodo.
• O cátodo da fotomultiplicadora é feito
de um material fotoemissor: quando
atingido por luz, emite elétrons (efeito
fotoelétrico), os quais são ejetados
por uma diferença de potencial sobre
os estágios de dinodos para serem
multiplicados.
A eficiência desta conversão de luz em elétrons é, tipicamente, de um a três
fotoelétrons para dez fótons de luz incidente no fotocatodo [Sorenson, 87].
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Pré-amplificadores e Amplificadores
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Introdução a Física Médica
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Detetores de radiação usados na medicina nuclear geram pulsos de
carga ou corrente elétrica que são contados para determinar o número
de eventos detectados.
Pela análise da amplitude dos pulsos de saída das PMT’s é possível
determinar a energia de cada evento de radiação detectado.
Analisador de Altura de Pulso (AAP)
o pulso de tensão vindo do amplificador é proporcional à quantidade de
energia depositada no cristal pela radiação.
O analisador de altura de pulso (AAP) faz o exame das amplitudes das
saídas do amplificador, o que possibilita determinar as energias dos
eventos de radiação.
O AAP faz uma contagem seletiva somente de pulsos dentro de certos
limites de amplitude, restringindo as contagens dentro destes limites de
energia selecionados, discriminando-os da radiação de fundo
(background), radiação espalhada
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Introdução a Física Médica
Sendo
o 99mTc o
radionuclídeo
mais
amplamente
usado
em medicina nuclear
atualmente,
geralmente utiliza-se
uma janela de energia
de 20% em torno do
fotopico do 99mTc
(140 keV), entre 126 a
154 keV (figura 2.6).
Figura 2.6: Gráfico mostrando o fotopico do 99mTc em 140 keV e a janela de energia (window) de 20% em torno do
fotopico. Neste espectro do 99mTc, primário (‘primary’) refere-se aos raios γ não espalhados e espalhamento por objetos
(‘object scatter’) aos γ espalhados por materiais em torno da fonte (adaptado de Sorenson, 87).
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Introdução a Física Médica
Exemplos de exames por Med. Nuclear
•
ESQUERDA-Lung scintigraphy. CENTRO-A scintigraphy of the whole body using
a gamma camera detector and Iodine-131 radioactive labelling. Image shows
uptake of iodine in the thyroid region after a total thyroidectomy due to papillary
thyroid cancer, performed one month before, and a 200 mCurie dose one week
before. DIREITA- exame de tireoide, com 99mTc.
Introdução a Física Médica
Positron emission tomography
ESQUERDA- Schematic view of a detector block and ring of a PET scanner.
Direita- Schema of a PET acquisition process
Introdução a Física Médica
Positron emission tomography
complete body PET / CT Fusion image.
DIREITA - A Brain PET / MRI Fusion image
MEDIDA DA ENERGIA
ABSORVIDA:
Introdução a Física Médica
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Quando se expõe um ser humano ou qualquer outra matéria à radiação, estes absorverão
parte da energia e receberão certa dose de radiação. A unidade utilizada a partir de 1962, por
orientação da Comissão Internacional de Unidades e Medidas Radiológicas(ICRU), para
medir a dose absorvida chama-se rad.A partir de 1985 outra denominação vem substituindo o
rad, é o gray(Gy); um Gy=100rad.Para se ter uma idéia de medida, uma pessoa que receber
uma dose de 6 a 8Gy no corpo todo morrerá.
Outra unidade de absorção utilizada é o rem(Roentgen equivalent in man).É uma unidade
utilizada somente para aspectos reacionados à proteção radiológica.Esta unidade é parecida
com o rad, mas leva em conta diferentes efeito biológicos em relação aos diferentes tipos de
radiação.
ENERGIA:
O eletrovolt é uma unidade bastante utilizada no campo da radioatividade.
Veja como ocorre a formação de raio X.Um filamento é aquecido, e desse filamento saem
elétrons.Coloca-se um alvo(positivo) na frente deles, que são assim atraídos e se chocam
nesse alvo.A velocidade de choque dos elétrons no alvo vai depender da DDP(diferença de
potencial) entre o alvo e o filamento.A DDP é medida em volts ou quilovolts(kv).Ao se chocar
no alvo o elétron transfere energia, e parte dessa energia se transforma em raio X.A energia
do raio X oriundo do choque de um elétron numa DDP de um kV é um eletrovolt( 1eV). Como
sempre, há os múltiplos do eV: 1000 x 1eV = 1keV (1 quiloeletrovolt) 1000000 x 1eV =
1MeV(1 megaeletrovolt)
Para dar uma noção de grandeza: a energia das radiações usadas em aparelhos de raios X
diagnósticos é ao redor de 200 a 400keV.
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Introdução a Física Médica
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PRODUÇÃO DE RAIOS X EM AMPOLAS RADIOGRÁFICAS: ESTUDO DO TOMÓGRAFO COMPUTADORIZADO DO HOSPITAL ... www.pgfsc.ufsc.br/dissertacoes/PFSC0112.pdf
Introdução a Física Médica
Bibliografia
1. Eisber&Resnick . Fisica Quantica Ed. Campus (20a tiragem, 1979)
2. J. Sorenson, M. E. Phelps. Physics in Nuclear Medicine (2nd Ed.). W.B. Saunders Co.
3. ATTIX, F.H. Introduction to radiological physics and radiation dosimetry. John Wiley & Sons, New York, 1986.
4. GANDHI, O.P. Biological effects and medical applications of eletromagnetic energy. Prentice Hall, New York, 1991.
5. JOHNS, H.N.; CUNNIGHAN, J.R. The physics of radiology. Charles C. Thomaz Pu-blisher, Illinois, USA, 1983.
6. EVANS, R. D. The atomic nucleus. Krieger, Malabar, FL, 1982.
3
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