Aplicações da Energia Nuclear na Medicina

Interações Alfa e Beta com a Matéria

A Radiação Alfa

O decaimento alfa é característico de átomos de núcleos pesados. É um tipo de radiação corpuscular  que se propaga na forma de partículas com carga positiva, partículas semelhantes a um núcleo de Hélio com 2 prótons e 2 nêutrons. 

Interação Alfa:

- Trajetória retilínea;

- Baixo alcance;

- Alto poder de ionização.

A Radiação Beta

O decaimento beta ocorre através do excesso de prótons ou nêutrons no núcleo atômico, os feixes beta se  propagam como partículas na forma de elétrons com cargas negativa ou positiva (nas formas beta negativa e beta positiva). 

Interação Beta:

- Trajetória do feixe é tortuosa (aleatória);

- Médio alcance;

- Baixo poder de ionização.

Comparando-as com a radiação gama:

Interação gama:

- Trajetória retilínea; 

- Alta capacidade de alcance;

- Alto poder de ionização.

Experimento de Ernest Rutherford (1898):

             

Rutherford observou que os feixes de radiação que emanavam do material radioativo sofriam ação dos campos elétricos (positivo e negativo) das placas. Logo deduziu que os feixes se propagavam em forma de partículas eletricamente carregadas.

Barreiras e alcance das radiações.

A Braquiterapia Ocular

Interação das Radiações Eletromagnéticas com a Matéria

Os principais fenômenos de interação das radiações eletromagnéticas (raios X e gama) com a matéria são:

- Efeito fotoelétrico;

- Efeito Compton ou espalhamento Compton;

- Produção de Pares

A probabilidade de interação depende da energia do fóton incidente, da densidade do meio, da espessura do meio e do número atômico do meio.

O Efeito Fotoelétrico

Esse fenômeno ocorre quando um fóton interage com um elétron orbital transferindo para ele toda sua energia. Parte da energia é utilizada para ejetar o elétron (ionização) e o restante é carregado pelo elétron em forma de energia cinética. Nessa interação o fóton desaparece e o átomo é ionizado, os espaços das camadas internas são preenchidos pelos elétrons das camadas externas, ocorrendo assim, radiação característica.
Este efeito físico é característico em elétrons da camada mais interna (camada K) nos átomos e os raios X característicos produzidos são considerados uma radiação secundária (espalhada).

O Efeito Compton

Na interação Compton, os raios X transferem para os átomos alvo parte de sua energia, o fóton colide com o elétron mas não causa sua ejeção, apenas faz com que o elétron vibre dentro de seu orbital. Nessa interação, o fóton continua a se propagar depois de interagir com o meio, desviado de sua trajetória e sofrendo espalhamento (radiação secundária).

A Produção de Pares

Uma das formas predominantes de absorção da radiação eletromagnética é a produção de par elétron-pósitron. Este fenômeno ocorre quando fótons de alta energia (superior a 1,022 MeV) passam perto de núcleos com número atômico elevado, interagindo com o forte campo elétrico nuclear.

Fenômeno da produção de pares.

Fóton gama produzindo par elétron-pósitron.

Radiologia Digital

IGRT: Radioterapia Guiada por Imagem

Esta recente evolução da radioterapia é uma técnica que permite o melhor posicionamento do paciente para que os médicos possam atingir o tumor com alta precisão, acompanhando inclusive os movimentos da respiração. 

A IGRT possibilita maior dose de radiação no tumor por dia, além de oferecer menos efeitos colaterais que os demais tratamentos.

Com a Radioterapia Guiada por Imagem é possível diminuir a extensão da radiação para concentrá-la mais na área do tumor e, dessa forma, aumentar as doses possibilitando melhor controle da doença.

Vantagens da IGRT:

- Permite a localização exata dos tumores;

- A grande vantagem é proporcionar ao paciente a dose precisa da radiação no tumor sem atingir as células saudáveis dos órgãos ao redor.

  

Equipamento IGRT (Teleterapia).

Posicionamento do paciente.

Localização do tumor e curvas de isodose.

Movimentação do gantry.

Indicações Clínicas:

Os principais tipos de tumores tratados com a IGRT são os de pulmão, fígado, coluna, intra-abdominais, intra-pélvicos e próstata. Deve-se considerar antes da indicação da IGRT, o tamanho do tumor, sua localização, características e se é benigno ou maligno.

O tratamento é totalmente indolor e 90% dos casos não apresentam efeitos colterais.

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).