Raios X
Em 1995 comemoramos os cem anos do descobrimento dos raios X por Wilhelm Konrad Roentgen (1845-1923), f�sico alem�o, o que foi um dos marcos na hist�ria da ci�ncia.
O uso dos raios X possibilitou um grande impulso nas t�cnicas de diagnose, devido a uma de suas caracter�sticas: a de poder penetrar nos materiais. Na biologia e medicina, permite observar os �rg�os internos sem que se tenha que abrir (fazer uma cirurgia) o paciente. Na ind�stria podemos citar a irradia��o de alimentos por raios X para prolongar o per�odo de conserva��o, e a an�lise de estruturas de engenharia, como determinar trincas internas ao concreto, entre outras. Nas ci�ncias, entre outras coisas, auxilia a entender como os �tomos e mol�culas est�o ligados, o que tem ajudado muito o desenvolvimento dos dispositivos eletr�nicos, aplicados amplamente em computadores e nos mais variados aparelhos eletr�nicos. Ainda h� outras aplica��es (m�quinas de raios X em aeroportos, monitora��o ambiental, terapias, etc.) que n�o cabem ser descritas aqui.
Os raios X nada mais s�o do que um tipo de luz que n�o podemos ver, assim como acontece com a radia��o infravermelha (IR) e radia��o ultravioleta (UV) que s�o invis�veis tamb�m. Para cada tipo de luz (radia��o) podemos associar uma quantidade de energia: a luz (radia��o) infravermelha tem uma menor energia do que a luz vis�vel; o vis�vel tem menor energia que o ultravioleta; e o ultravioleta menor que os raios X. Esta propriedade dos raios X de ter maior energia do que a luz vis�vel � que os torna interessante nas aplica��es acima citadas e em muitas outras.
O fato da luz ter uma certa quantidade de energia associada n�o � de se estranhar. Basta lembrar dos pain�is solares nos telhados das casas que convertem a energia da luz em energia el�trica e/ou calor (esquentando a �gua que passa por tubos, por exemplo). Esses aquecedores s� funcionam bem de dia e � luz do sol; sem luz n�o h� energia e o sistema (coletor solar) fornece apenas o que foi armazenado durante o dia em baterias e/ou reservat�rios de �gua quente.
Se a energia associada � luz for suficientemente alta, ela pode quebrar as liga��es qu�micas entre mol�culas e/ou �tomos, como � o caso da luz ultravioleta e dos raios X. Quando uma quebra de liga��o qu�mica ocorre, encontramos �tomos que perderam el�trons (chamamos de �ons positivos) e/ou ganham el�trons (�ons negativos); por esta raz�o, muitas vezes, luz com energia razoavelmente alta � chamada de radia��o ionizante.
A quebra em grande quantidade de liga��es qu�micas em um organismo vivo pode ser nociva. � esta a raz�o do car�ter nocivo de se expor intensamente � luz ultravioleta e aos raios X. Por isso recomenda-se protetor solar que possui em sua composi��o filtros que bloqueiam boa parte da radia��o ultravioleta (UVA e UVB) proveniente do Sol. Como os raios X t�m uma energia associada mais alta que a radia��o ultravioleta, usualmente s�o utilizados materiais mais densos ("pesados") para bloque�-los, como o chumbo.
Existem muitos estudos para tentar determinar os limites seguros de exposi��o dos seres vivos � radia��o, por�m isto � muito dif�cil de se estabelecer devido � grande quantidade de vari�veis envolvidas. Contudo, existem normas muito bem estabelecidas de prote��o radiol�gica, envolvendo m�todos e equipamentos, que fornecem uma boa confiabilidade em termos de seguran�a, e que, se obedecidas, mant�m as exposi��es a radia��o abaixo do limite onde os danos se tornam importantes.
Podemos fazer uma compara��o com o mon�xido de carbono (CO), que � emitido pelos escapamentos dos autom�veis, que � altamente t�xico, e nem por isto deixamos de andar pelas ruas das cidades. Mas devemos evitar situa��es, por exemplo, de garagens fechadas sem ventila��o for�ada, com o motor do carro em funcionamento!
Leituras:
Raios X: Nova Enciclop�dia Barsa V.12, p.211-212, 1997.
Radiologia: Nova Enciclop�dia Barsa V.12, p.202-205, 1997.
Raios X (100 anos, hist�ria): Ci�ncia Hoje V.19/N.14, p.27-35, outubro de 1995.
Literatura cient�fica:
Elements of X-Ray Diffraction, B. D. Cullity, Addison-Wesley, 2nd Ed.
X-Ray Science and Technology, A G. Michette and C. J. Buckley, IOP, 1993.
Texto de: Edson M. Kakuno
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Os raios X s�o radia��es da mesma natureza da radia��o gama (ondas eletromagn�ticas), com caracter�sticas semelhantes. S� diferem da radia��o gama pela origem, ou seja, os raios X n�o s�o emitidos do n�cleo do
�tomo. Os raios X s�o radia��es de natureza eletromagn�tica, que se propagam no ar (ou v�cuo). Essa radia��o � produzida quando ocorre o bombardeamento de um material met�lico de alto n�mero at�mico (tungst�nio), resultando na produ��o de radia��o X por freamento ou ioniza��o. Propriedade dos raios X
Os raios X s�o produzidos quando el�trons em alta velocidade, provenientes do filamento aquecido, chocam-se com o alvo (anodo) produzindo radia��o. O feixe de raios X pode ser considerado como um �chuveiro� de f�tons distribu�dos de modo aleat�rio. Os raios X possuem propriedades que os tornam extremamente �teis. - Enegrecem filme fotogr�fico;
- Provocam luminesc�ncia em determinados sais met�licos; - S�o radia��o eletromagn�tica, portanto n�o s�o defletidos por campos el�tricos ou magn�ticos pois n�o tem carga; - Tornam-se �duros� (mais penetrantes) ap�s passarem por
materiais absorvedores; - Produzem radia��o secund�ria (espalhada) ao atravessar um corpo; - Propagam-se em linha reta e em todas as dire��es; - Atravessam um corpo tanto melhor, quanto maior for a tens�o (voltagem) do tubo (kV);
- No v�cuo, propagam-se com a velocidade da luz; - Obedecem a lei do inverso do quadrado da dist�ncia (1/r2), ou seja, reduz sua intensidade dessa forma; - Podem provocar mudan�as biol�gicas, que podem ser benignas ou malignas, ao interagir com sistemas biol�gicos.
As m�quinas de raios X foram projetadas de modo que um grande n�mero de el�trons s�o produzidos e acelerados para atingirem um anteparo s�lido (alvo) com alta energia cin�tica. Este fen�meno ocorre em um tubo de raios X que � um conversor de energia. Recebe energia el�trica que converte em raios X e calor. O calor � um subproduto indesej�vel no processo. O tubo de raios X � projetado para maximizar a produ��o de raios X e dissipar o calor t�o r�pido
quanto poss�vel.
Elementos do tubo de raios X
O tubo de raios X possui dois elementos principais e que ser�o a partir de agora objeto de estudo: catodo e anodo.
O catodo � o eletrodo negativo do tubo. � constitu�do de duas partes principais: o filamento e o copo
focalizador. A fun��o b�sica do catodo � emitir el�trons e focaliz�-los em forma de um feixe bem definido apontado para o anodo. Em geral, o catodo consiste de um pequeno fio em espiral (ou filamento) dentro de uma cavidade (copo de focagem) como mostrado na figura anterior.
O filamento � normalmente feito de Tungst�nio (com pequeno acr�scimo de T�rio) Toriado, pois esta liga tem alto ponto de fus�o e n�o vaporiza facilmente (a vaporiza��o do filamento provoca o enegrecimento do interior do tubo e a conseq�ente mudan�a nas caracter�sticas el�tricas do mesmo). A queima do filamento �, talvez, a mais prov�vel causa da falha de um tubo.
O corpo de focagem serve para focalizar os el�trons que saem do catodo e fazer com que eles �batam� no anodo e n�o em outras partes. A corrente do tubo � controlada pelo grau de aquecimento do filamento (catodo). Quanto mais aquecido for o filamento, mais el�trons ser�o emitidos pelo mesmo, e maior ser� a corrente que fluir� entre anodo e catodo. Assim , a corrente de filamento controla a corrente entre anodo e catodo.
O anodo � o p�lo positivo do tubo, serve de suporte para o alvo e atua como elemento condutor de calor. O anodo deve ser de um material (tungst�nio) de boa condutividade t�rmica, alto ponto de fus�o e alto n�mero at�mico, de forma a otimizar a rela��o de perda de energia dos el�trons por radia��o (raios X) e a perda de energia por aquecimento. Existem dois tipos de anodo: anodo fixo e anodo girat�rio.
Os tubos de anodo fixo s�o usualmente utilizados em m�quinas de baixa corrente, tais como: raios X dent�rio, raios X port�til, m�quinas de radioterapia, raios X industrial, etc.
Os tubos de anodo girat�rio s�o usados em m�quinas de alta corrente, normalmente utilizadas em radiodiagn�stico. Ele permite altas correntes pois a �rea de impacto dos el�trons fica aumentada. Como exemplo, tomemos um alvo fixo, cuja �rea de impacto � de 1mm x 4 mm, isto �, 4 mm2. Se este alvo girar com um raio de giro igual 30mm, a �rea de impacto seria aproximadamente: 754mm2; nestas condi��es, o tubo girat�rio teria cerca de 200 vezes mais �rea do que o tubo fixo.
O anodo e o catodo ficam acondicionados no interior de um inv�lucro fechado (tubo ou ampola), que est� acondicionado no interior do cabe�ote do RX. A ampola � geralmente constitu�da de vidro de alta resist�ncia e mantida em v�cuo, e tem fun��o de promover isolamento t�rmico e el�trico entre anodo e catodo. O cabe�ote cont�m a ampola e demais acess�rios. � revestido de chumbo cuja fun��o � de blindar a radia��o de fuga e permitir a passagem do feixe de radia��o apenas pela janela radiotransparente direcionando desta forma o feixe. O espa�o � preenchido com �leo que atua como isolante el�trico e t�rmico.
Radia��o de Freamento (Bremsstrahlung)
Essa radia��o � produzida quando um el�tron passa pr�ximo ao n�cleo de um �tomo de tungst�nio, sendo atra�do pelo n�cleo deste e desviado de sua trajet�ria original. Com isto, o el�tron perde uma parte de sua energia cin�tica original, emitindo parte dela como f�tons de radia��o, de alta e baixa energia e comprimento de onda diferentes, dependendo do n�vel de profundidade atingida pelo el�tron do metal alvo. Isto significa dizer que, enquanto penetra no material, cada el�tron sofre uma perda energ�tica que ir� gerar radia��o (f�tons) com energia e comprimento de onda tamb�m menores. Se formos considerar percentualmente a radia��o produzida, veremos que 99 por cento dela � emitida como calor e somente 1 por cento possui energia com caracter�sticas de radia��o X.
Existem situa��es (raras) em que alguns el�trons muito energ�ticos se chocam diretamente com os n�cleos, convertendo toda a sua energia cin�tica em um f�ton de alta energia e freq��ncia (a rigor, esta seria uma outra forma de gera��o de radia��o, onde a energia do f�ton gerado � igual � energia do el�tron incidente, o que se configura como um f�ton de m�xima energia).
Durante o bombardeamento do alvo, todas as possibilidades em termos de gera��o de f�tons acontecem, na medida que temos intera��es diferentes entre el�trons incidentes com o material do alvo, gerando f�tons de diferentes energias.
A radia��o de freamento, ou Bremsstrahlung, se caracteriza por ter uma distribui��o de energia relativa aos f�tons gerados, bastante ampla, como mostra a figura a seguir.
Como se pode observar pelo gr�fico ao lado, a maioria dos f�tons obtidos possui baixa energia, sendo que somente uns poucos t�m a energia equivalente � diferen�a de potencial (voltagem) aplicada ao tubo. Esse gr�fico mostra que s�o gerados muitos f�tons de baixa energia, o que pode ser perigoso para o paciente irradiado, pois estes f�tons de baixa energia interagem com os tecidos vivos, sem contribuir para a forma��o da imagem radiogr�fica.
O espectro, distribui��o das energias dos f�tons gerados por uma radia��o de freamento, � mostrado na figura a seguir, onde se pode observar que a radia��o n�o � monoenerg�tica, mas sim polienerg�tica, pois temos f�tons de diferentes energias, em quantidades diferentes.
Radia��o caracter�stica
Pelo visto anteriormente, alguns f�tons interagem diretamente com os n�cleos, convertendo toda sua energia em radia��o, sem modificar o �tomo alvo, ou seja, sem ioniz�-lo.
Existem situa��es, no entanto, em que el�tron pode interagir com um �tomo quebrando sua neutralidade (ionizando-o), ao retirar dele el�trons pertencentes � sua camada mais interna (K). Ao retirar o el�tron da camada K, come�a o processo de preenchimento dessa lacuna (busca de equil�brio), por el�trons de camada superiores. Dependendo de camada que vem o el�tron que ocupa a lacuna da camada K, teremos n�veis de radia��o diferenciados.
Como exemplo, vamos considerar que um el�tron da camada L ocupe a lacuna da camada K, emitindo uma radia��o da ordem de 59 keV; se o el�tron ocupante vem da camada M, a energia gerada � da ordem de 67 keV; se o el�tron ocupante vem da camada N, teremos uma radia��o da ordem de 69 keV.
Quando se usa como alvo um material com o tungst�nio, o bombardeamento por el�trons de alta energia gera uma radia��o com caracter�sticas espec�ficas (radia��o caracter�stica), pois esse material possui um n�mero at�mico definido (bastante alto), necessitando um n�vel alto de energia para retirar os el�trons de sua camada K.
A energia da radia��o gerada por um alvo de tungst�nio � da ordem de 70 keV. A condi��o necess�ria e imprescind�vel para que se produza a radia��o caracter�stica do tungst�nio � que os f�tons devem ter uma energia m�xima superior a 70 keV, j� que a energia de liga��o da camada K � da ordem de 70 keV.
Como se da o processo de gera��o da radia��o caracter�stica do tungst�nio?
Exemplo: Quando bombardeamos um alvo de tungst�nio com el�trons submetidos a uma tens�o de 100 kV, ser�o gerados f�tons com energia de poucos keV at� 100 keV, mas uma grande parte deles ter�o energia da ordem de 70 keV, caracter�stica do tungst�nio.
Cada material emite um n�vel definido de radia��o caracter�stica, dependendo de seu n�mero at�mico, como s�o os casos do tungst�nio (radiologia convencional) e molibid�nio (mamografia), que possuem radia��es caracter�sticas da ordem de 70 keV e 20 keV, respectivamente.
Essa figura � o resultado da superposi��o da radia��o caracter�stica do tungst�nio com o espectro cont�nuo gerado com 100 kVp. Nela se pode observar que, al�m de f�tons, com energia baixas e altas, temos um grande n�mero deles com energias correspondentes somente ao tungst�nio. Quando o alvo bombardeado � de molibid�nio, a radia��o caracter�stica se situa na faixa de 20 keV.
Efeito an�dico
Descreve um fen�meno no qual a intensidade da radia��o emitida da extremidade do catodo do campo de raios X � maior do que aquela na extremidade do anodo. Isso � devido ao �ngulo da face do anodo, de forma que h� maior atenua��o ou absor��o dos raios X na extremidade do anodo.
A diferen�a na intensidade do feixe de raios X entre catodo e anodo pode variar de 30% a 50%.
Na realiza��o de estudos radiol�gicos do f�mur, perna, �mero, coluna lombar e tor�cica deve-se levar em conta a influ�ncia do efeito an�dico na realiza��o das incid�ncias radiol�gicas pertinentes a estes estudos.
Luciano Santa Rita Oliveira � p�s-graduado em Gest�o da Sa�de e Administra��o Hospitalar, tecn�logo em radiologia, supervisor de est�gio e professor das disciplinas de Incid�ncias Radiol�gicas, Imaginologia, Manuten��o e Calibra��o de Equipamentos e Radiologia Industrial do Curso Superior de Tecnologia em Radiologia da Universidade Igua�u (UNIG), membro da Comiss�o de Radioprote��o do Ex�rcito (COMRAD), tamb�m atuando como profissional de Prote��o Radiol�gica e Detec��o das Radia��es Ionizantes do Centro Tecnol�gico do Ex�rcito.
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do site do autor:www.radiologiatec.cjb.net