Física - Formação dos Raios X

Os raios X foram descobertos pelo físico alemão Wilhelm Conrad Roentgen, nascido em Lenep, Alemanha, em 1845. Roentgen trabalhava com descargas elétricas em tubos contendo gases em seu laboratório, na cidade de Wurzburg, Alemanha, em 8 de novembro de 1895, não imaginava que daria origem a uma nova ciência, a Radiologia.

A Produção dos Raios X:


A radiação X é uma radiação produzida artificialmente através de um artifício (tubo) que consta de acelerar cargas elétricas (elétrons) contra um material alvo metálico de alto número atômico (tungstênio), resultando desse choque a emissão de radiação eletromagnética na forma de raios X, caracterizada por frequência muito alta, pequeno comprimento de onda e alto poder de ionização.

Características dos Raios X:

- Os raios X são radiações eletromagnéticas;
- Se propagam no ar e/ou no vácuo com trajetória retilínea e com a velocidade da luz;
- Podem ser absorvidos (atenuados), espalhados e ultrapassar a matéria;
- Os feixes de raios X são distribuídos em pequenas quantidades de energia eletromagnética chamados de "fótons";
- São radiações artificiais e ionizantes.

Os Fenômenos de Formação dos Raios X:

No choque dos elétrons com o alvo de tungstênio a maioria da energia cinética é transformada em calor (99%), mas uma pequena parte (1%) produz raios X através de dois fenômenos:

- A Radiação característica;
- A Radiação de freamento ou efeito bremsstrahlung.

Aceleração dos elétrons no tubo para a formação dos raios X.

Radiação Característica:

A radiação característica ocorre quando o elétrons em movimento chocam-se com os elétrons da camada mais interna (camada K) do átomos do alvo de tungstênio no tubo de raios X e o desloca provocando a sua ejeção para fora do átomo, com isso a camada de energia que este elétron ocupava fica vaga. Este átomo agora ionizado precisa se estabilizar. Para isto um elétron de uma camada mais externa migra para a lacuna da camada mais interna, liberando neste processo uma determinada e bem precisa quantidade de fótons na forma de raios X.
O fenômeno é chamado de radiação característica, já que essa energia das camadas é particular de cada elemento, é possível descobrir qual é o elemento do alvo através da análise das energias dos fótons de raios X produzidos.

Fenômeno da radiação característica.

Radiação de Freamento ou Efeito Bremsstrahlung:


A expressão "bremsstrahlung" é orignário da palavra alemã "parar" ou "frear". Nos equipamentos de raios X, a desaceleração dos elétrons pode ocorrer principalmente no campo elétrico dos núcleos atômicos que constituem o elemento alvo, devido à atração coulombiana. Desta forma, os elétrons convertem sua energia cinética em radiação eletromagnética (raios X) por interação no campo nuclear.
Este processo é chamado de perda de energia por freamento ou "bremsstrahlung", e resulta na produção de fótons de alta energia. Quanto mais próxima a interação do elétron com o núcleo, maior será a probabilidade de emitir fótons de alta energia.

Fenômeno da radiação de freamento ou efeito bremsstrahlung.

Fonte: Apostila de Física das Radiações (com adaptações).

A Ressonância Magnética Funcional Encefálica

Exame aplicado para avaliação por imagem das regiões cerebrais e suas funções motoras, sensoriais e cognitivas. A RM funcional encefálica está relacionada com estudos que podem evidenciar e quantificar a presença de atividades cerebrais. É uma técnica estabelecida e amplamente utilizada para o mapeamento das funções cerebrais.

Uma aplicação clínica da RM funcional é a de auxiliar no planejamento cirúrgico e radioterápico de tumores cerebrais e outras funções.

A Ressonância Magnética Funcional Encefálica é realizada através das seguintes técnicas: 

- Difusão;

- Ativação;

- Perfusão.

Estudo de Difusão:

A técnica de difusão encefálica é voltada para a avaliação de áreas isquêmicas cerebrais. A isquemia é um processo pelo qual uma área do encéfalo deixa de ser irrigada causando muitas vezes a morte do tecido. No acidente isquêmico a difusão do hidrogênio, que em condições normais ocorre ao acaso, fica restrita.

Estudo por Ativação:

A RM funcional por ativação é baseada no estudo do aumento da concentração de hidrogênio nas regiões do encéfalo relacionadas com alguma atividade. A técnica BOLD (blood oxigen level dependent) descreve a convergência de sangue carregado com moléculas hidrogenadas (oxiemoglobina) para áreas em atividade. As imagens são obtidas das regiões encefálicas diretamente ligadas a essas atividades.

Estudo das atividades cerebrais pela técnica BOLD.

Estudo por Perfusão:

A perfusão está relacionada com o aporte sanguíneo aos tecidos. Obstruções vasculares causadas por por placas de ateroma, compressões e embolia, entre outras, afetam a perfusão do órgão que irriga. Técnica realizada com administração de meio de contraste. O contraste no parênquima encefálico substitui a presença de sangue e permite um estudo indireto da perfusão da região.

Fonte: Técnicas em Ressonância Magnética Nuclear (com adaptações).

A Tomossíntese Mamária

A Tomossíntese ou mamografia tomográfica digital é uma técnica de aquisição de múltiplas imagens da mama, obtidas de diferentes angulações do tubo de raios X, enquanto a mama permanece em posição constante. As imagens produzidas são reconstruídas em cortes finos de alta resolução que podem ser visualizados individualmente ou de um modo dinâmico.

Nesta técnica são adquiridas  imagens em 3D do tecido mamário comprimido em diferentes planos  durante um curto tempo. Os cortes finos reconstruídos reduzem ou eliminam os problemas causados pelo tecido sobreposto e o ruído da estrutura anatômica que aparecem na imagem em 2D na mamografia digital.

A irradiação da mama é feita de tal forma que a dose de radiação resultante é igual às duas projeções obtidas para rastreamento em uma mesma mama. Devido à utilização de diferentes algoritmos de resolução, a mama pode ser visualizada em múltiplos planos  e em várias profundidades paralelas à superfície do detector.

Aquisição da imagem.

Projeções e reconstrução das imagens.

Imagem adquirida.

Vantagens da Tomossíntese em relação à Mamografia Digital:

- Diminuição de erros;

- Aumento na detecção de neoplasias;

- Redução de dose;

- Maior precisão na localização de lesões;

- Rápido tempo de revisão;

- Menor quantidade de biópsias.

Procedimentos Técnicos em um Exame de Ressonância Magnética

Etapas do Procedimento:

Preparação da sala de exames, preparação do paciente, registro do paciente, posicionamento do paciente, programação, escolha do protocolo e realização do exame.

Preparação da Sala:

- Nesta etapa é escolhido tipo de bobina adequada de acordo com o exame solicitado;

- Quanto menor a bobina, melhor a relação sinal-ruído;

- Bobinas de arranjo de fase apresentam maior ganho de sinal do que as bobinas de superfície.

- Os tipos de bobinas utilizadas são: bobinas de cabeça, de joelho, de ombro, de coluna cervical, de tórax, de superfície...

 Bobina de cabeça

  Bobina de ombro

Preparação do Paciente:

- Deve-se orientar o paciente quanto à retirada de objetos metálicos;

- O paciente deve trocar a roupa;

- Verificar através do questionário de anamnese se o paciente tem alguma contra-indicação para o exame;

- Verificar a ocorrência de próteses metálicas orais móveis nos pacientes;

- Nos exames com administração de meios de contraste deve-se puncionar o acesso venoso antes do exame.

Registro do Paciente:

O paciente é registrado no equipamento com seus dados pessoais: 

- O nome completo, idade, sexo, peso e o exame a ser realizado.

Posicionamento do Paciente:

- É realizado o ajuste da bobina na região a ser examinada;

- O paciente é posicionado no equipamento;

- O tecnólogo/técnico deve orientar o paciente quanto ao posicionamento;

- Orientar ao paciente quanto ao procedimento.

- O paciente deve ser posicionado em decúbito dorsal ou ventral;

- A região em estudo deve ser alinhada ao isocentro do equipamento;

- O paciente deve se manter imóvel durante todo o exame.

Posicionamento em decúbito dorsal.

Posicionamento em decúbito ventral.

Programação: 


A aquisição das imagens é obtida através da programação que determina os três planos de corte: Coronal, sagital e axial.

                                               

Escolha do Protocolo:

Nesta fase escolhe-se os protocolos disponíveis que ficam gravados no sistema (software) de aquisição de imagens no console do equipamento. 

O protocolo pode ser criado passo a passo durante a realização do procedimento.

Tipos de Protocolos:


- Os principais protocolos são: Encéfalo de rotina, encéfalo com contraste, Angio-RM de encefálica, colunas cervical, torácica e lombossacra, pelve, joelho, ombro, pé/tornozelo, cotovelo, punho, tórax, abdome superior, angiorressonância das carótidas, angiorressonância de aorta, espectroscopia por ressonância e RM funcional.

Aquisição da Imagens:

São realizadas aquisições com cortes finos (em milímetros de espessura "mm"). São produzidas imagens bidimensionais e tridimensionais para o diagnóstico.

Fonte: Técnicas em Ressonância Magnética Nuclear (com adaptações).

Meios de Contraste na Ressonância Magnética

Os meios de contraste em RM agem reduzindo os tempos de relaxação longitudinal e transversal dos núcleos de hidrogênios excitados. 

O encurtamento no tempo de relaxação longitudinal intensifica os sinais dos tecidos na ponderação T1, proporcionando "hiperintensidade" ao tecido onde esteja concentrado. Já os meios de contraste que interferem no encurtamento dos tempos de relaxação transversal produzem uma redução de sinal dos tecidos na ponderação T2. As imagens em T2 irão apresentar "hipointensidade" de sinais dos tecidos

Os meios de contraste à base de Gadolínio produzem contraste por T1, este metal é uma substância paramagnética que tem a capacidade de alterar o campo magnético local. Os meios de contraste que são compostos por óxido de ferro produzem contraste por T2, os óxidos de ferrosos são substâncias superparamagnéticas que produzem grandes alterações do campo magnético local, os meios de contraste à base de óxido de ferro são pouco utilizados no Brasil.

Características do Gadolínio:

O gadolínio é um metal pesado altamente tóxico para o organismo humano, sua administração como meio de contraste é possível pela agregação de substâncias que evitam a fixação orgânica desses metais. 

O gadolínio é eliminado principalmente pelas vias excretoras renais, as substâncias de agregação ao gadolínio são chamadas de "quelados".

O ácido dietileno triaminopentacético - DTPA é um dos tipos de "quelados" mais comuns em ressonância magnéitca, a fixação do quelado ao gadolínio forma o GD-DTPA (gadopentetato). 

O Gadopentetato é um meio de contraste por T1, hidrossolúvel, baixa toxicidade, sua administração via endovenosa e apresentam baixas osmolalidade e viscosidade.

Efeitos Adversos do Gadopentetato (GD-DTPA):


Podem apresentar efeitos adversos como:

Náusea, vômito, alteração no paladar, sudorese, calor, rubor e ansiedade.

Dosagem:

A dose recomendada para grande parte dos exames é de 0,1 mol/kg de peso (volume 0,2 ml/kg), podendo ser dobrada para exames de angiorressonância.
A dose letal em ressonância obtida em estudos com ratos é de 10 mmol/kg.

Farmacocinética


Os meios de contraste à base de gadolínio são eliminados em maior parte através da filtração glomerular. Em 24 horas 95% será eliminado pela urina e 5 % pelas fezes.
Pacientes que sofrem de insuficiência renal a farmacocinética do meio de contraste é alterada.


Contra-indicações ao Uso dos Meios de Contraste Compostos por Gadolínio:


Pacientes com insuficiência renal grave;
Pacientes submetidos a transplante hepático;
Hipersensibilidade ao meio de contraste.



Fonte: Técnicas em Ressonância Magnética Nuclear (com adaptações).

Entenda como funciona uma Usina Nuclear

Produção dos Radioisótopos

Os radioisótopos são produzidos diretamente por reações nucleares ou indiretamente através do decaimento de um radionuclídeo pai.

Essas reações ocorrem entre feixes de partículas e núcleos (alvos), produzindo novos núcleos e partículas, elas são realizadas em reatores nucleares e em aceleradores de partículas (ciclotrons).

Reatores Nucleares

São equipamentos que permitem a realização de transformações que envolvem mudanças nos núcleos atômicos. Como exemplo disso temos a fissão nuclear do átomo de urânio em átomos de menor massa, isso visando a obtenção da energia nuclear.
Esses reatores precisam ser muito bem vedados, pois envolvem grandes quantidades de energia, calor e radiação, materiais que são nocivos ao ser humano.

 Núcleo de reator utilizado em pesquisas.

Núcleo de reator submerso em uma piscina.

Ciclotrons

Equipamentos aceleradores eletromagnéticos de alta frequência que comunica à partículas eletrizadas velocidades muito elevadas, a fim de se obter transmutações e desintegrações de átomos. Realizam o bombardeamento de alvos estáveis com partículas positivamente carregadas. Ex.: Prótons, dêuterons e as partículas alfa.

Os núcleos bombardeados se tornam instáveis por excesso de prótons, desintegram por emissão de pósitrons (radiação beta positiva) ou por captura eletrônica com emissão gama.

Cíclotron para a produção de flúor radioativo.

Muitos radioisótopos podem ser produzidos pelos ciclotrons sendo que o Flúor-18 é o mais produzido para a aplicação na medicina nuclear nos exames de PET.

Outros radioisótopos que são produtos dos ciclotrons são: Nitrogênio-13, Oxigênio-15, Iodo-123, Gálio-67, Tálio-201, etc.

Ciclotron de 30 MeV de energia do IPEN, em São Paulo.