016) RAIOS X - CONCEITOS INICIAIS

RAIOS X - CONCEITOS INICIAIS

 

Ao descobrir os raios X, em 1895, Roentgen sabia que essa nova forma de energia seria de grande utilidade para a medicina. A técnica de obtenção de imagens do interior dos corpos pelo uso dos raios X permite, entre muitas aplicações, a identificação de fraturas ósseas e doenças pulmonares. Roentgen tinha a exata consciência do potencial dos raios X, mas não poderia imaginar a amplitude da revolução tecnológica que esse feito produziria 110 anos depois. Roentgen passou a estudar incessantemente sobre os raios recém-descobertos. Nesse tempo, Roentgen descreveu quase todas as propriedades dos raios X que conhecemos hoje.

ROENTGEN DESCREVEU OS RAIOS X COMO:

- Os raios X atravessam corpos opacos à luz;

- Provocam fluorescência em certos materiais;

- A radiopacidade dos corpos é proporcional à sua densidade e para aqueles de mesma densidade, à espessura;

- São invisíveis;

- Não são refratários, nem refletíveis, nem podem ser focalizados por lentes;

- Não são defletidos por campos magnéticos;

- Os raios X originam-se do ponto de impacto dos raios catódicos no vidro do tubo de gás;

- Os raios X propagam-se em linha reta;

- Não sofrem polarização;

- São radiações do tipo eletromagnéticas, pois não sofrem desvio em campos magnéticos;

- Podem ser detectados através de cintilações numa tela fosforescente ou de impressões, numa chapa fotográfica;

- Tornam-se mais penetrantes após passarem por absorventes;

- Produzem radiações secundárias em todos os corpos que atravessam;

- Propagam-se em linha reta, em todas as direções;

- Tornam gases em condutores elétricos (ionização);

- Atravessam o corpo tanto melhor quanto maior for a tensão no tubo (kV).

Roentgen testa a transparência de vários materiais, verificando duas propriedades importantes: densidade e espessura. Quanto mais densos e espessos, menos transparentes se tornam; e constata que os raios X são produzidos pelo choque de raios catódicos numa chapa de alumínio. Em 22 de dezembro de 1895, trouxe para o laboratório sua esposa, Bertha, para fazer parte de sua experiência. Colocou sua mão esquerda sobre um filme radiográfico e a expôs aos raios cerca de 15 min. Assim, pôde confirmar suas teorias e realizar a primeira radiografia da história da medicina. Em outra experiência, tirou uma radiografia de seu rifle de caça e observou uma pequena falha interna, demonstrando que também poderia ser utilizado em outros setores para inspecionar equipamentos em geral. Em 20 de janeiro de 1896, semanas depois de Roentgen ter feito sua descoberta, Henri Poincaré elaborou um relatório sobre os raios X para a academia Francesa de Ciências. Além de sua explicação sobre os raios X, havia algumas observações referentes a fosforescências estranhas que ele observou. Esse fenômeno interessou Henri Becquerel, que iniciou suas pesquisas baseando-se na hipótese de Henri Poincaré. Este último supunha que havia uma relação entre a emissão dos raios X e a fluorescência do material de vidro de que era feito o tubo de raios X. Hoje se sabe que a fluorescência é causada pelos raios catódicos. Na verdade, de acordo com os conhecimentos atuais, não existe relação direta entre a emissão de raios X e a luminescência. Mas é graças a essa pista falsa que muitas descobertas foram feitas. 

Para Henri Poincaré, havia relação entre a emissão dos raios X e a fluorescência do material. Poincaré apresenta à Academia um trabalho de Charles Henry no qual testa o sulfeto de zinco fosforescente, verificando que esse material é capaz de aumentar o efeito dos raios X, confirmando a hipótese de Poincaré. Uma semana depois, surge um trabalho de Niewenglowski que confirma e amplia os resultados de Henry, porém utilizando outro material, o sulfeto de cálcio. Assim, Becquerel, baseado em estudos de outros pesquisadores, seguindo os mesmos passos e descrevendo observações, também repetiu alguns equívocos, atribuindo à radiação do urânio propriedades como reflexão regular, refração, polarização e aumento de intensidade quando estimulado por luz. Para ele, a radiação que estudava era semelhante à luz.

Ao realizar suas experiências, Becquerel colocou um sal duplo de sulfato de urânio e potássio sobre um filme fotográfico sob a luz solar. Verificou no filme a imagem do cristal de urânio; supunha que urânio emitia raios X. Em outro momento essa mesma experiência não pôde ser repetida devido ao mau tempo. Todo o material foi, então, guardado numa gaveta sobre filmes. Após a revelação desses, o cientista verificou que estavam muito mais escurecidos do que se estivessem ficado expostos ao sol. Após repetir a experiência várias vezes, Becquerel percebeu que se tratava de uma energia que ainda não havia sido descrita. O cientista se referiu a essa energia como radiação ativa, porém não classificou nem descreveu a natureza da radiação emitida pelo urânio. Em 1º de março, Becquerel comunica sua descoberta à Academia de Ciências da França; os raios foram chamados de raios de Becquerel. Eis que ocorre a descoberta da radioatividade.

DESCOBERTA DOS RAIOS X: 

Os raios X foram descobertos pelo físico Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923), no laboratório da Universidade de Wurzlburg (Alemanha), em 08 de Novembro de 1895, enquanto pesquisava o tubo de raios catódicos, inventados pelo inglês William Crookes.

TUBO DE RAIOS CATÓDICOS: 

É um tubo de vidro, dentro do qual um condutor metálico aquecido emitia elétrons em direção a outro condutor. A Constatação da Descoberta dos Raios X - Na tarde de 08 de Novembro de 1895, Roentgen, ao ligar o tubo de raios catódicos, notou um efeito curioso: Uma placa de material fluorescente chamado de cianeto de bário brilhou; e este brilho persistiu mesmo quando Roentgen colocou um livro entre o tubo e a placa. Aquele brilho era uma radiação capaz de atravessar materiais opacos e sensibilizar filmes e placas fotográficas. Com a descoberta dos raios catódicos, ocorreu a invenção da máquina de raios X.

OS EXAMES RADIOGRÁFICOS: 

Os Exames Radiográficos utilizam raios-X; neste, o feixe de raios-X, transmitido através do paciente, impressiona o filme radiográfico, o qual, uma vez revelado, proporciona uma imagem que permite distinguir estruturas e tecidos com propriedades diferenciadas. Durante o exame radiográfico os raios-X interagem com os tecidos através do efeito fotoelétrico e Compton.

Em relação à probabilidade de ocorrência destes efeitos, obtêm-se imagens radiográficas que, mostram tonalidades de cor cinza bem diferenciadas; conforme a densidade, tudo o que está dentro do corpo surge em uma cor diferente numa radiografia. Nos ossos, a radiografia acusa fraturas, tumores, distúrbios de crescimento e postura. Nos pulmões, pode flagrar da pneumonia ao câncer. Em casos de ferimento com armas de fogo, ela é capaz de localizar onde foi parar o projétil dentro do corpo. Para os dentistas, é um recurso fundamental para apontar as cáries. Na densitometria óssea, os raios-X detectam a falta de mineral nos ossos e podem acusar a osteoporose, comum em mulheres após a menopausa. Na radiografia contrastada, é possível diferenciar tecidos com características bem similares, tais como os músculos e os vasos sanguíneos, através do uso de substâncias de elevado número atômico (Iodo ou o Bário). Ainda, os raios-X possibilitou o surgimento de exames como a tomografia axial computadorizada (TAC) que, com ajuda do computador, é capaz de fornecer imagens em vários planos, de forma rápida e precisa, utilizando quantidades mínimas de radiação.

O TERMO RADIAÇÃO: 

Vem do latim RADIARE, termo que indica um fenômeno básico em que a energia se propaga através do espaço, ainda que interceptada pela matéria.

O TERMO IRRADIAÇÃO: 

Vem do latim IN e RADIARE, que é o termo empregado para indicar o tratamento da matéria pela energia radiante. Os termos radiação e irradiação são, todavia, na maioria das vezes, confundidos e usados indistintamente como sinônimos. 

TIPOS DE RADIAÇÃO: 

Há as chamadas corpusculares, feitas por intermédio de elétrons (raios beta), núcleos de hélio (raios alfa), núcleos de hidrogênio (prótons; P ou H1) ou nêutrons (N ou N1); e as eletromagnéticas, constituídas pelos raios de comprimento de onda muito curto, os raios - X e os raios gama. Admite-se que a energia radiante emita partículas ínfimas denominadas Fótons. Estas são absorvidas pela matéria e determinam os seguintes fenômenos:

1) Fazem vibrar os átomos das moléculas em seu eixo de conexão;

2) Fazem-nos rodar em torno desse mesmo eixo;

3) Produzem modificações dos níveis energéticos dos elétrons.

ÁTOMO: 

É a menor partícula da matéria e é formado por prótons e nêutrons no núcleo; e por elétrons que circulam ao seu redor, na eletrosfera.

RAIOS DE FRENAGEM: 

São resultantes da interação do elétron de um átomo com o núcleo de outro átomo; ou seja, é quando os elétrons se chocam com os prótons, gerando energia alta, energia baixa e fótons.

RAIOS CARACTERÍSTICOS: 

São resultantes de saltos orbitais dos elétrons nas diferentes camadas da eletrosfera, ou seja, são raios que se originam do desequilíbrio dos elétrons em suas trajetórias.

EFEITO BREMSSTRAHLUNG: 

Ocorre quando um elétron acelerado tem a sua trajetória repentinamente frenada devido ao efeito da positividade do núcleo atômico.

EFEITO FOTOELÉTRICO: 

É um processo pelo qual os elétrons de condução em metais e em outras substâncias absorvem energia do campo eletromagnético e escapam das suas órbitas. É a absorção completa do Fóton com ejeção de um elétron (ionização).

EFEITO COMPTOM 

(Radiação secundária): Arrancamento de um elétron que continua a se propagar, mas com maior comprimento de onda do que a radiação incidente. O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material, geralmente metálico, quando exposto a uma radiação eletromagnética (como a luz) de frequência suficientemente alta, que depende do material. Ele pode ser observado quando a luz incide numa placa de metal, literalmente arrancando elétrons da placa. Observado a primeira vez por Heinrich Hertz em 1887, o fenômeno é também conhecido por “efeito Hertz”, não sendo porém este termo de uso comum.

ANODO FIXO: 

Consiste no aparelho transportável, geralmente utilizado em cirurgias e exames feitos no leito.

ANODO GIRATÓRIO: 

Consiste no aparelho fixo para exames.

APARELHOS FIXOS: 

São os aparelhos cujos discos anódicos são giratórios. São utilizados em exames de rotina em ambulatórios.

APARELHOS MÓVEIS: 

São os aparelhos cujos discos anódicos são fixos. São utilizados nos exames em C.T.I. e em Centros Cirúrgicos.

APARELHOS PORTÁTEIS: 

São os aparelhos cujas ampolas são feitas de anodo fixo. São utilizados em exames em domicílio.

COMPOSIÇÃO DO TUBO DE RAIOS CATÓDICOS:

- Ampola ou Tubo de Vidro:

- Catodo;

- Anodo Fixo;

- Anodo Giratório.

FINALIDADE DO VÁCUO NA AMPOLA DE VIDRO:

Impedir qualquer tipo de bloqueio no trajeto dos elétrons até o anodo para gerar os raios X.

PRODUÇÃO DE ÍONS PARES: 

O fóton vai de encontro ao núcleo, criando e emitindo um par de elétrons. A absorção da luz ultravioleta e da infravermelha depende em geral da estrutura molecular do material absorvente e, indiretamente da composição atômica do mesmo. Pelo contrário as energias dos Raios X são quase inteiramente absorvidas pelos elétrons que se ejeta do átomo pelo qual eles passaram. 

Este processo independe completamente da maneira porque os átomos estão combinados dentro das moléculas. Assim o átomo que recebe um certo quantum de raios X para ejetar um elétron perde energia (ionização) e esta é armazenada no elétron ejetado como energia cinética, capaz de produzir ionização de outros átomos por que passa. Quase toda a ionização em radiologia, é produzida pelo elétron ejetado e muito pouco ou despercebida é a ionização pela absorção inicial do Quantum de raios X aplicados. Em consequência desse fenômeno, os íons produzidos não se distribuem ao acaso nas soluções ou nos tecidos, mas sim ao longo do trajeto do elétron ejetado.

As descobertas de Roentgen sobre os raios X marcaram o início da radiologia médica, especialidade que emprega um feixe de raios X para a produção de imagens das estruturas internas do corpo humano. 

Em seus experimentos, Roentgen verificou que os raios X não são desviados por campos elétricos e campos magnéticos, portanto não apresentam a propriedade de carga elétrica. Além disso, ele identificou que os raios X apresentam comportamento similar ao da luz, classificando-os como ondas eletromagnéticas. Sendo onda eletromagnética, os raios X não são considerados matéria, mas sim energia que se propaga a partir de uma fonte. Podem atravessar espaços preenchidos por meios materiais, mas deslocam-se com velocidade maior através do vácuo. No espectro eletromagnético, os raios X representam ondas de alta frequência, o que significa alta energia e pequeno comprimido de onda.

PROPRIEDADES FÍSICAS DA MATÉRIA:

MASSA (m) = é a medida numérica direta da quantidade de matéria de um corpo. Sua unidade no Sistema Internacional (SI) é o quilograma, símbolo Kg. I Kg equivale a 1000g.

DENSIDADE (d) = a densidade de uma amostra de matéria é a relação entre a sua massa (m) e o volume (V) por ela ocupado. Sua unidade no SI é o quilograma por metro cúbico, símbolo Kg/m3.

CARGA ELÉTRICA (q) = propriedade da matéria associada a sua capacidade de produzir fenômenos de atração e repulsão elétrica. Sua unidade no SI é o Coulomb (C).

MODELO DE RUTHERFORD: 

O átomo mantém-se dividido em núcleo e eletrosfera, sobre o qual Bohr postulou que:

“Os elétrons estão se movimentando em órbitas circulares em torno do núcleo sob influência da atração elétrica entre a carga negativa do elétron e a carga positiva do núcleo. Assim, os elétrons que ocupam as órbitas mais internas são mais fortemente atraídos pelo núcleo do que aqueles mais afastados.”

“Os elétrons podem se mover apenas em algumas órbitas particulares em cada átomo. Apesar de estar constantemente em movimento circular, o elétron que se move em uma das órbitas permitidas não emite energia. Pode ocorrer a mudança de órbita por um elétron desde que ocorra algum evento que provoque a absorção ou emissão de energia eletromagnética pelo elétron.”

PRODUÇÃO DO FEIXE DE RAIOS X: 

Uma unidade radiológica possui 3 elementos principais: O tubo de raios-X, o console de comando ou de operação e o gerador de alta tensão.O Tubo de Raios X = é um tubo de vidro transparente dentro do qual se faz vácuo. Internamente contém dois eletrodos: Catodo e Anodo. Basicamente esse equipamento tem a função de gerar e acelerar um feixe de elétrons, fazendo com que este colida contra um material de alvo. Os raios X são gerados a partir das interações dos elétrons acelerados com os átomos do alvo. A energia elétrica necessária para acelerar os elétrons é fornecida ao tubo de raios X por dois circuitos principais: O circuito do filamento no catodo e o circuito de alta tensão que conecta os dois eletrodos.

OS PRINCIPAIS ELEMENTOS DO TUBO E SEU FUNCIONAMENTO:

CATODO = é o eletrodo negativo do tubo de raios X. Sua função é fornecer os elétrons que serão acelerados em direção ao anodo. O catodo é constituído por dois elementos principais: o filamento e o copo de foco. O filamento é um fio metálico enrolado em forma de espiral. Apresenta diâmetro de cerca de 2 mm e comprimento de 1 a 2 cm. Durante o tempo de exposição, o filamento é percorrido por uma corrente elétrica que gera aquecimento e liberação de grande quantidade de elétrons das últimas camadas dos átomos do material. Este fenômeno é conhecido como efeito termo-iônico. O material constituinte do filamento deve apresentar alto ponto de fusão e alto número atômico. A primeira característica é importante porque o material precisa suportar altas temperaturas sem perder suas propriedades físicas.

ANODO = É o eletrodo positivo do tudo, sendo constituído de uma estrutura de suporte, ou base, e um alvo. O alvo é a área do anodo onde ocorrem as interações do elétron. A estrutura da base é composta de materiais bons condutores elétricos e térmicos. A primeira propriedade permite que os elétrons que atingem o anodo penetrem no material com facilidade e mantenham a corrente no circuito de alta tensão. Já a condutividade térmica é importante devido a grande quantidade de calor gerado nas interações elétron-alvo, que poderia danificar sua estrutura caso não fosse conduzido rapidamente para fora do alvo. Os materiais mais comuns nos tubos radiológicos são o cobre, o molibdênio e a grafite.

CORRENTE DO TUBO (mA) = é a corrente formada pelos elétrons liberados do filamento (catodo) e acelerados em direção ao anodo. Medida em miliamperes (mA).

TEMPO DE EXPOSIÇÃO (s) = é o intervalo de tempo no qual o tubo está ligado e ocorre a emissão do feixe de raios X. Medido em segundos (s).

CORRENTE DO TUBO (mAs) = é o produto da corrente do tubo (mA) pelo tempo de exposição (s). Corresponde à quantidade total de carga elétrica que atinge o anodo durante o tempo de exposição: corrente x tempo = carga elétrica. Por exemplo: num procedimento em que se emprega uma corrente do tubo de 300 mA num tempo de exposição de 0,1s, tem-se o total de (300mA). (0,1s) = 30mAs.

ALTA TENSÃO (kV) = é a diferença de potencial elétrico aplicada entre o catodo e o anodo. É responsável pela aceleração dos elétrons entre os eletrodos. Medida em quilovolts (kV). Tubos de raios X para diagnóstico médico normalmente operam num intervalo de 25 a 150kV.

 

INTERAÇÕES DOS ELÉTRONS COM O ALVO: 

Os elétrons acelerados pela alta tensão atingem o anodo na região do alvo com alta energia cinética, penetrando no interior da estrutura do metal, interagindo com os átomos que o compõem. No alvo não ocorrem reações nucleares, isto é, os elétrons acelerados não penetram no núcleo dos átomos do alvo, mas realizam apenas interações na região da eletrosfera. Um elétron que penetre com velocidade no alvo pode realizar várias interações sucessivas transferindo sua energia aos poucos às diferentes partículas do material. Nestas interações, há a emissão de fótons de raios X de diversas energias e a produção e grande quantidade de calor. Normalmente, mais de 99% da energia dos elétrons da corrente do tubo é convertida em calor no anodo. São 3 formas como os elétrons podem interagir com os átomos do alvo: freamento, ionização e excitação.

MAIS DETALHES...Em 1896, o físico francês Henri Becquerel investigou o relacionamento entre raios X e o escurecimento de filmes fotográficos, através de materiais compostos de urânio. Uma parte desse sal de urânio foi colocada numa gaveta com placas fotográficas virgens. Após a remoção dos filmes, Becquerel observou que eles tinham sido expostos, embora ainda estivessem embalados em papel à prova de luz. Ele então sugeriu que o urânio emitia uma energia, que após penetrar a camada de papel, ainda era capaz de escurecer as placas fotográficas. Ele se referiu a essa energia como radiação ativa. Em 1898, Marie Curie voltou sua atenção a esse novo fenômeno, e lançou o termo radioatividade para descrever essa forma de energia. Já em 1904, cerca de 20 elementos naturalmente radioativos eram conhecidos. Apesar de muitos pesquisadores terem estado envolvidos no processo de entendimento do fenômeno radioativo, as contribuições mais significativas durante os primeiros 30 anos do século 19 foram feitas por Ernest Rutherford e seus colaboradores. Esses experimentos descobriram que a radioatividade tem algumas propriedades interessantes: escurece filmes, ioniza gases, produz cintilação (flashes de luz) em certos materiais, penetra na matéria, mata tecido vivo, libera grande quantidade de energia com pequena perda de massa, e não é afetada por alterações químicas e físicas no material que está emitindo. Esta última característica é de particular importância, já que se a radioatividade é suposta ser originada dentro do átomo, e se ela não é afetada por alterações químicas, então ela não deve ser associada aos elétrons, pois, estes estão envolvidos nas reações químicas. Isso sugere que a radioatividade se origina no núcleo, e que deve ser possível à obtenção de informações sobre ele através de seu estudo.

A análise da radioatividade começa com uma consideração sobre sua natureza. Ela é uma onda (como a luz) ou uma partícula? Tem carga elétrica ou não tem? A experiência que revela mais completamente a natureza da radioatividade é aquela em que a radiação é dirigida através de um campo elétrico produzido por duas placas paralelas carregadas. O resultado dessa experiência é surpreendente. Um único feixe de radiação é desdobrado em 3 pela ação do campo. A deflexão (desvio) em direção à placa carregada negativamente indica um feixe carregado positivamente, e a direção à placa positiva indica um feixe negativamente carregado. O feixe que não se desvia não tem carga. Desde que a natureza desses 3 feixes não era conhecida naquela época, eles foram simplesmente identificados como raios alfa (carga positiva), raios beta (carga negativa) e raios gama (carga nula). A importância dessa experiência é que ela revelou que a estrutura dos átomos podia ser alterada, e que alguns átomos encontrados na natureza, especialmente os mais pesados, possuíam núcleos instáveis. Experiências posteriores revelaram que os raios gama são os mais penetrantes, enquanto os raios alfa são os de menor penetração. A natureza exata de cada um desses 3 tipos de radiação somente foi conhecida muitos anos depois, e o resultado obtido é visualizado abaixo em uma rápida amostra do poder de penetração desses raios.

RADIAÇÃO ALFA. 

A experiência que confirmou a identidade da partícula alfa, com um núcleo de hélio 2He4 (constituído de 2 prótons e 2 nêutrons) foi realizada por Sir James Dewar em 1908 e repetida por Rutherford e Royds em 1909. Essas 4 partículas estão fortemente ligadas entre si, de forma que a partícula a tem então uma massa igual a 4 vezes a massa do próton (ou 7.000 vezes a massa do elétron), e carrega duas unidades de carga elétrica positiva. A emissão de partículas alfa é o único tipo de decaimento radioativo espontâneo que emite partículas pesadas, excetuando-se a fissão. Isso é verdade tanto para as espécies naturais como para as produzidas artificialmente. Os produtos do decaimento (núcleos filhos) de um núcleo obtidos por emissão de partículas alfa podem ou não ser radioativos.

RADIAÇÃO BETA. 

A emissão de radiação beta é um processo mais comum entre os núcleos leves ou de massa intermediária, que possuem um excesso de nêutrons ou de prótons em relação à estrutura estável correspondente. Radiação beta e o termo usado para descrever elétrons de origem nuclear, carregados negativamente (e-), ou positivamente (e+).

RADIAÇÃO GAMA. 

A radiação gama pertence a uma classe conhecida como radiação eletromagnética. Este tipo de radiação consiste de quanta ou pacotes de energia transmitidos em forma de um movimento ondulatório. A radiação eletromagnética é uma modalidade de propagação de energia através do espaço, em que não há necessidade de um meio material. Outros membros bem conhecidos dessa classe são: as ondas de rádio, raios-x, e inclusive a luz visível. A diferença essencial entre a radiação gama e a radiação X esta na sua origem. Enquanto os raios gama resultam de mudanças no núcleo, os raios x são emitidos quando os elétrons atômicos sofrem uma mudança de orbital. A radiação eletromagnética pode ser representada como uma dupla vibração que compreende um campo magnético H e um campo elétrico E. Estas duas vibrações estão em fase, tem direções perpendiculares, e se propagam no vácuo com velocidade da luz segundo uma direção perpendicular ao plano.

RADIAÇÃO "X" - Existem duas formas de raios-X, dependendo do tipo de interação entre elétrons e o alvo.