Imagio - 3ª e 4ª aulas LCB 11.12

Imagiologia - 3ª e 4ª aulas
Radiologia – Aspectos Técnicos
Física das Radiações
10-11-2011
Joaquim Agostinho - Imagiologia
1
Alimentação de Corrente
•
Uma corrente eléctrica é o movimento de electrões num condutor,
por exemplo um fio
•
O fluxo da corrente eléctrica – o número de electrões que passam
num ponto num segundo – é medido em amperes
•
Depende de dois factores: a pressão, ou voltagem, da corrente
(medida em volts), e da resistência do condutor ao fluxo da
electricidade (medida em ohms)
•
A Lei de Ohm relaciona estes valores V = I x R
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IMAGIOLOGIA 205.06
1
Alimentação de Corrente
•
O transformador do filamento reduz a voltagem da corrente alterna
para cerca de 10 volts, regulado pelo controle de corrente do
filamento (selector mA), que ajusta a resistência e assim o fluxo de
corrente através do circuito de baixa voltagem, incluindo o filamento.
Isto por sua vez regula a temperatura do filamento e em
consequência o número de electrões emitidos
•
Alta voltagem é necessária entre o ânodo e o cátodo para gerar
raios-x. Um auto-transformador converte a voltagem primária da
corrente alterna em voltagem secundária, a qual é regulada pelo
selector de pico de kilovoltagem (selector kVp)
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IMAGIOLOGIA 305.06
Alimentação de Corrente
•
Este selector escolhe uma voltagem de diferentes níveis do autotransformador e aplica-a através do transformador de alta voltagem,
conseguindo elevar a energia dos electrões que passam na ampola até
60 a 100 keV
•
O tipo de circuito de alimentação de energia, em que uma corrente
alterna de alta voltagem é aplicada directamente na ampola de raiosx, limita a produção de raios-x a metade do ciclo da corrente alterna e
é chamado de auto-rectificado (ou “half wave rectified”)
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Alimentação de Corrente
•
Quase todos os aparelhos de raios-x dentários convencionais são
auto-rectificados
•
Uma ampola alimentada por uma fonte de potência auto-rectificada
não pode trabalhar por longos períodos de tempo, sob pena de
derreter o filamento, ou, eventualmente, danificar o invólucro de
vidro
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IMAGIOLOGIA 505.06
Temporizador
•
Um temporizador faz parte do circuito de alta voltagem, de modo a
controlar a duração da exposição de raios-x, controlando o período
de tempo em que a alta voltagem é aplicada à ampola, e em
consequência, o tempo durante o qual a corrente flui na ampola e os
raios-x são produzidos
•
Antes da alta voltagem ser aplicada, o filamento deve aquecido para
assegurar uma emissão adequada de electrões
•
Para minimizar a fusão do filamento, o circuito do temporizador envia
primeiro, durante cerca de meio segundo, corrente através do
filamento para o aquecer até à temperatura apropriada
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IMAGIOLOGIA 605.06
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Especificações da Ampola
•
Cada aparelho de raios-x tem especificações da ampola que
descrevem o tempo de exposição máximo que a ampola pode ser
submetida a carga sem risco de danificar o foco por sobreaquecimento
•
Estas especificações descrevem, de forma gráfica, os intervalos de
segurança máximos (segundos) que a ampola pode ser usada numa
escala de voltagens (kVp) e valores de corrente do filamento (mA)
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IMAGIOLOGIA 705.06
Especificações da Ampola
•
O “duty cicle” indica-nos a frequência com que exposições sucessivas
podem ser efectuadas
•
A acumulação de calor no ânodo é medida em “heat units” (HU), e é
definida pela seguinte equação: HU = kVp x mA x seg.
•
As características de arrefecimento dos ânodos são descritas pelo número
máximo de unidades de calor que pode armazenar sem dano, e da taxa
de dissipação de calor, determinada pelas curvas de arrefecimento
fornecidas pelo fabricante da ampola
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IMAGIOLOGIA 805.06
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Resumo
•
Para produzir raios-x é necessário ter uma fonte de electrões que
choque contra um alvo com suficiente energia. Este é o processo
físico em que a maior parte da energia do electrão se converte em
calor e uma pequeníssima quantidade de energia se converte em
raios X
•
O diferente comprimento de onda determina a qualidade ou dureza
dos raios-x. Quanto menor for o comprimento de onda, fala-se de
radiação mais dura, que tem maior poder de penetração
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IMAGIOLOGIA 905.06
Produção de Raios-X
•
Os electrões que se deslocam do cátodo para o ânodo, convertem
parte da sua energia cinética em fotões de raios-x, através da
produção de “bremsstrahlung” e de radiação característica
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IMAGIOLOGIA1005.06
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“Bremsstrahlung”
•
A radiação “bremhstrahlung”, a fonte primária dos fotões de raios-x
com ponto de partida na ampola, é produzida pela súbita paragem ou
abrandamento dos electrões de alta velocidade no alvo.
(“bremsstrahlung” significa radiação travada, em alemão)
•
Quando os electrões do filamento embatem no alvo de tungsténio, são
criados fotões de raios-x se os electrões atingem directamente um
núcleo do alvo ou se a sua trajectória os faz passar perto de um núcleo
•
Se um electrão de alta velocidade atinge directamente o núcleo de um
átomo do alvo, toda a sua energia cinética é transformada num único
fotão de raios-x
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“Bremsstrahlung”
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“Bremsstrahlung”
•
A energia do fotão resultante é numéricamente igual á energia do
electrão. Esta por sua vez é igual à kilovoltagem aplicada na ampola
no momento da sua passagem
•
No entanto, a maioria dos electrões de alta velocidade não atinge um
núcleo, passando ao lado, perto ou longe, do mesmo
•
Neste tipo de interacção, um electrão de alta velocidade, com carga
negativa, é atraído para o núcleo, com carga positiva, e perde parte
da sua velocidade
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“Bremsstrahlung”
•
Esta desaceleração faz com que o electrão perca alguma da sua
energia cinética, na forma de vários novos fotões
•
Quanto mais perto o electrão de alta velocidade se aproximar do
núcleo, maior é a atracção electrostática sobre o electrão, o efeito de
travagem, e a energia dos fotões “bremsstahlung” resultantes
•
As interacções “bremsstahlung” originam fotões de raios-x com um
espectro contínuo de energia
•
A energia de um feixe de raios-x pode ser descrita através da “peak
operating voltage” (em kVp)
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“Bremsstrahlung”
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“Bremsstrahlung”
•
Um aparelho de raios-x que trabalhe p.e. com uma voltagem máxima
de 70.000 volts (70 kVp), aplica uma voltagem variável de até 70
kVp, através da ampola
•
Esta ampola produz então fotões de raios-x com energias variáveis
até um máximo de 70.000 volts (70 kVp)
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“Bremsstrahlung”
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“Bremsstrahlung”
•
O espectro contínuo de energia dos fotões deve-se a:
1.
Variação contínua da diferença de voltagem entre o filamento e
o alvo (“half wave rectification”)
2.
Os electrões incidentes passarem a diferentes distâncias dos
núcleos, sendo assim deflectidos em diversos graus
3.
A maioria dos electrões participar em múltiplas interacções
“bremsstrahlung” antes de perderem a sua energia cinética
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Radiação Característica
•
A radiação característica forma-se quando um electrão do filamento
desloca um electrão de um nível de um átomo de tungsténio do alvo,
ionizando o átomo
•
Quando isto acontece, um electrão de um nível mais externo do
átomo de tungsténio é rápidamente atraído para o vazio criado no
nível interno deficitário
•
É então emitido um fotão com energia equivalente à diferença na
energia de ligação entre os dois níveis orbitais
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Radiação Característica
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Radiação Característica
•
A radiação característica do nível K nos átomos de tungsténio ocorre
apenas acima dos 70 kVp, (como discretos incrementos - ver
gráfico), quando comparada com a radiação “bremsstrahlung”
•
A energia dos fotões característicos é função dos níveis energéticos
dos vários níveis dos electrões orbitais e, por conseguinte,
característica dos átomos do alvo
•
A radiação característica constitui uma pequena parte da radiação
emitida por uma ampola de raios-x
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Controle do feixe raios-X
•
O feixe de raios-x emitido por uma ampola pode ser modificado
pela variação de determinados parâmetros, a saber:
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1.
Tempo de exposição (temporizador)
2.
Corrente da ampola (mA)
3.
Voltagem da ampola (kVp)
4.
Filtração
5.
Colimação
6.
Distância foco - paciente
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Tempo de exposição
•
Quando se duplica o tempo de exposição, o número de fotões
gerados em todas as energias do espectro de emissão de raios-x
duplica, embora o intervalo de energia dos fotões permaneça
inalterado
•
Assim, a alteração do tempo de exposição apenas controla a
quantidade de exposição (o número de fotões criados)
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Corrente da Ampola
•
Á medida que se aumenta a miliamperagem (mA), mais energia é
aplicado no filamento, que aquece e liberta mais electrões, os quais ao
colidirem com o alvo produzem radiação
•
Assim, a quantidade de radiação produzida pela ampola (i.e. o número
de fotões que chega ao paciente e à película) é directamente
proporcional à corrente (mA) da ampola e ao tempo que esta trabalha
•
A quantidade de radiação produzida é expressa como o produto do
tempo e da corrente da ampola. A quantidade de radiação permanece
constante, independentemente de variações no tempo e na corrente,
enquanto o seu produto permanecer constante
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Voltagem da Ampola
•
Á medida que se aumenta a voltagem (kVp), aumenta a diferença
de potencial entre o ânodo e o cátodo, aumentando assim a energia
da cada electrão aquando do embate destes no alvo
•
Isto resulta num aumento da eficiência da conversão da energia dos
electrões em fotões de raios-x, aumentando assim:
10-11-2011
•
o número de fotões criados
•
a sua energia média
•
a sua energia máxima
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Voltagem da Ampola
•
O aumento do número de fotões produzido por unidade de tempo,
quando se aumenta a kilovoltagem, resulta numa maior eficiência na
produção de fotões “bremsstrahlung”, que ocorre quando maior
quantidade de electrões de alta energia colide com o alvo
•
A capacidade de penetrar a matéria dos fotões de raios-x depende da
sua energia. Fotões de raios-x de alta energia têm uma maior
probabilidade de penetrar a matéria, enquanto que fotões de relativa
baixa energia têm maior probabilidade de serem absorvidos
•
Assim, quando maior for a kVp e a energia média do feixe de raios-x,
maior é a capacidade de penetração do feixe na matéria
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA2605.06
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Filtração
•
Embora um feixe de raios-x consista num espectro de fotões de raiosx de diferentes energias, apenas os fotões com energia suficiente
para penetrar através das estruturas anatómicas e atingir o receptor
de imagem (geralmente película) são úteis para o diagnóstico
radiológico
•
Os fotões de baixa energia (comprimento de onda longo) contribuem
para a exposição do paciente (e risco) mas não têm energia suficiente
para atingir a película
•
Assim, para reduzirmos a dose no paciente, os fotões menos
penetrantes devem ser eliminados
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA2705.06
Filtração
10-11-2011
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Filtração
•
Este efeito é parcialmente conseguido com a colocação de um filtro
de alumínio na trajectória do feixe de raios-x. O alumínio remove,
preferencialmente, muitos dos fotões de menor energia
•
Ao calcular a quantidade de filtração necessária para um
determinado aparelho de raios-x, deve-se ter em consideração a kVp
e a filtração inerente da ampola e seu revestimento
•
A filtração inerente é devida aos materiais que os fotões de raios-x
encontram no seu trajecto do alvo para o objecto a radiografar –
vidro, óleo de isolamento e o material de contenção do óleo
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA2905.06
Filtração
•
A filtração inerente da maior parte dos aparelhos de raios-x varia
entre 0,5 e 2 mm de alumínio
•
A filtração total é a soma da filtração inerente com a filtração
externa adicional, fornecida pela colocação de discos de alumínio
entre o diafragma e a janela de vidro da ampola
•
A filtração total no trajecto de um feixe de raios-x utilizado
habitualmente em radiologia dentária deve ser igual ao equivalente
de 1,5 mm de alumínio até 70 kVp, e 2,5 mm de alumínio para
voltagens superiores
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA3005.06
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Colimação
•
Um colimador é uma barreira metálica com uma abertura no meio,
usada para reduzir o tamanho do feixe de raios-x, e em
consequência o volume de tecido irradiado no paciente
•
Os colimadores mais usados em dentistria são redondos ou
rectangulares
•
O feixe de raios-x dentário é geralmente colimado para um círculo
de 7 cm de diâmetro
10-11-2011
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Colimação
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IMAGIOLOGIA3205.06
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Colimação
•
Um colimador redondo é uma placa espessa de material radiopaco
(geralmente chumbo) com uma abertura circular por onde passa o
feixe de raios-x da ampola
•
Os colimadores rectangulares limitam ainda mais o tamanho do feixe,
para pouco mais que o tamanho da película
•
Alguns tipos de instrumentos de suporte das películas também
fornecem colimação rectangular do feixe de raios-x
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA3305.06
Colimação
•
O uso de colimação também melhora a qualidade da imagem
•
Quando um feixe de raios-x é apontado a um paciente, os tecidos
absorvem cerca de 90% dos fotões de raios-x, e os restantes 10%
passam através do paciente e atingem a película. Muitos dos fotões
absorvidos geram radiação dispersa dentro dos tecidos expostos por
um processo chamado efeito de Compton.
•
Estes fotões dispersos viajam em todas as direcções e alguns atingem
a película, degradando a qualidade da imagem
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IMAGIOLOGIA3405.06
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Distância Foco - Paciente
•
A intensidade de um feixe de raios-x num dado ponto, depende da
distância do aparelho de medida ao alvo
•
Para um dado feixe, a intensidade é inversamente proporcional ao
quadrado da distância da fonte de radiação
•
Este decréscimo de intensidade deve-se ao facto de o feixe de raios-x
se alargar, à medida que se afasta do ponto de origem
•
Assim, quando se altera a distância entre a ampola e o paciente, tal
facto tem um efeito marcado na intensidade do feixe
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IMAGIOLOGIA3505.06
Distância Foco - Paciente
10-11-2011
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Interacção do Raio-X com a Matéria
•
A intensidade de um feixe de raios-x é reduzida pela interacção com a
matéria que encontra no seu trajecto. Esta atenuação resulta das
interacções de fotões individuais do feixe com os átomos da matéria
atravessada
•
Os fotões de raios-x são absorvidos ou dispersos
•
Na absorção, os fotões ionizam os átomos da matéria absorvente e
convertem a sua energia em energia cinética dos electrões absorventes
•
Na dispersão, os fotões são ejectados do feixe primário como resultado
das interacções com os electrões orbitais dos átomos absorventes
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA3705.06
Interacção Raio-X Matéria
•
Um feixe de raios-x dentário é submetido a três tipos de atenuação:
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
Difusão coerente

Absorção foto-eléctrica

Difusão de Compton
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Interacção
Raio-X - Matéria
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Difusão Coerente
•
A difusão coerente (ou clássica, ou de Thompson) pode ocorrer
quando um fotão incidente de baixa energia (menos de 10 keV) passa
perto de um electrão periférico de um átomo (com baixa energia de
ligação)
•
O fotão incidente interage com o electrão tornando-o
momentaneamente excitado na mesma frequência do fotão incidente.
Este deixa então de existir. O electrão excitado volta logo em seguida
ao seu estado basal e dá origem a um outro fotão de raio-x com a
mesma frequência e energia do feixe incidente. Geralmente o fotão
secundário apresenta uma trajectória angulada em relação á do fotão
incidente, alterando a direcção do fotão incidente
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA4005.06
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Difusão Coerente
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Difusão Coerente
•
Este tipo de interacção corresponde a apenas 8% do número total de
interacções (por exposição) num exame dentário
•
A difusão coerente contribui muito pouco para a velatura das películas
porque a quantidade total de fotões dispersos é pequena e o seu nível
de energia demasiado baixo para chegar a película
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Direcções de emissão da radiação dispersa
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Absorção Fotoeléctrica
•
A absorção fotoeléctrica é extremamente importante no diagnóstico
pela imagem, uma vez que cerca de 30% dos fotões absorvidos de um
feixe de raios-x dentário, são-no pelo processo fotoeléctrico
•
Este processo ocorre quando um fotão incidente colide com um
electrão que integra um átomo do meio absorvente. Nessa altura o
fotão incidente deixa de existir. O electrão é ejectado e torna-se um
fotoelectrão
•
A maioria das interacções fotoeléctricas ocorre no nível K porque a
densidade da nuvem electrónica é maior nesta região e existe assim
uma alta probabilidade de interacção
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA4505.06
Absorção Fotoeléctrica
•
Um átomo que participe numa interacção fotoeléctrica fica ionizado
devido à perca de um electrão. Esta falta de um electrão (geralmente
no nível K) é imediatamente preenchida, geralmente por um electrão
do nível L, com libertação de radiação característica
•
Qualquer que seja a órbita do electrão de substituição, os fotões
característicos gerados são de tão baixa energia que são absorvidos
no paciente e não atingem a película
•
Como consequência, toda a energia dos fotões incidentes que sofrem
interacções fotoeléctricas é depositada no paciente
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Absorção Fotoeléctrica
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IMAGIOLOGIA4705.06
Absorção Fotoeléctrica
•
Embora tal seja vantajoso para a produção de radiografias de alta
qualidade, porque não há radiação difusa a velar a película, é
potencialmente prejudicial para os pacientes, devido ao aumento de
absorção de radiação
•
A frequência da interacção fotoeléctrica é directamente proporcional à
terceira potência do número atómico do absorvente. Assim, p.e. como
o número atómico efectivo do osso compacto (Z=13,8) é maior do que
o dos tecidos moles (Z=7,4), a probabilidade de um fotão ser
absorvido por interacção fotoeléctrica no osso é cerca de 6,5 vezes
maior que em igual espessura de tecidos moles
10-11-2011
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Difusão de Compton
•
A difusão de Compton ocorre quando um fotão interage com electrão
de níveis orbitais exteriores, sendo que cerca de 62% dos fotões
absorvidos de um feixe de raios-x dentário, o são por difusão de
Compton
•
Nesta interacção o fotão incidente colide com um electrão exterior, o
qual recebe energia cinética e ressalta do ponto de impacto. A energia
do fotão disperso é igual à energia do fotão incidente menos a soma
da energia cinética adquirida pelo electrão que ressalta e da sua
energia de ligação
•
Isto resulta na perca de um electrão pelo átomo e sua ionização
10-11-2011
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Difusão de Compton
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA5005.06
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Difusão de Compton
•
Os fotões dispersos continuam os seus novos caminhos, causando
outras ionizações. Do mesmo modo os electrões que ressaltam
também perdem energia ionizando outros átomos
•
A probabilidade de uma interacção de Compton é directamente
proporcional à densidade dos electrões do absorvente. Como o
número de electrões no osso é superior ao dos tecidos moles, a
probabilidade de ocorrer difusão de Compton no osso é maior que
nos tecidos moles
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA5105.06
Difusão de Compton
•
Os fotões dispersos viajam em todas as direcções. No entanto,
quanto maior é a energia do fotão incidente, maior é a probabilidade
de que o ângulo de dispersão do fotão secundário seja pequeno e a
sua direcção seja para a frente.
•
Cerca de 30% dos fotões dispersos formados durante uma exposição
radiográfica dentária atravessam a cabeça do paciente. Este facto é
vantajoso para o paciente porque alguma da energia do feixe de
raios-x incidente escapa dos tecidos, mas tem a desvantagem de
causar um enegrecimento inespecífico da película, sem acrescentar
informação útil
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA5205.06
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Absorção Diferencial
•
Mais fotões num feixe de raios-x saem do paciente depois de
atravessar tecidos moles, do que em tecidos duros. Em consequência,
enquanto que o feixe incidente é espacialmente homogéneo, o feixe
remanescente, que sai do paciente, é espacialmente heterogéneo.
Quando atinge o receptor de imagem (geralmente película) isso
resulta numa maior exposição da película atrás de tecidos moles do
que de tecidos duros
•
É esta exposição diferenciada da película que permite a uma
radiografia revelar a morfologia do osso e dos tecidos moles
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA5305.06
Atenuação do Feixe
•
Quando um feixe de raios-x atravessa a matéria, a sua intensidade é
atenuada (vai-se reduzindo), resultado da perca de fotões individuais,
principalmente através da absorção fotoeléctrica e da difusão de
Compton
•
A redução da intensidade do feixe é previsível porque depende das
características físicas do feixe e do absorvente
•
O HLV (“half value layer”) constitui uma medida da energia do feixe,
ao descrever a espessura do absorvente que reduz a intensidade do
feixe para metade do seu valor
10-11-2011
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IMAGIOLOGIA5405.06
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Atenuação do Feixe
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Atenuação do Feixe
•
A absorção do feixe depende primariamente da espessura e massa do
absorvente e da energia do feixe de raios-x
•
As camadas superficiais do absorvente tendem a remover os fotões
de baixa energia e transmitir os de elevada energia. Assim, à medida
que o feixe de raios-x atravessa a matéria, a intensidade do feixe
diminui, mas a energia média do feixe resultante aumenta
•
Um feixe de raios-x é cada vez menos absorvido por cada unidade de
espessura sucessiva do absorvente
10-11-2011
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Dosimetria
•
Dosimetria consiste na determinação da quantidade da dose ou da
exposição à radiação
•
Dose é o termo utilizado para descrever a quantidade de energia
absorvida por unidade de massa no local de interesse
•
Exposição é a medição da quantidade de radiação baseada na sua
capacidade de produzir ionização do ar, em condições padronizadas de
temperatura e pressão, medindo-se em “air kerma” (kinetic energy
released in matter)
10-11-2011
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Dosimetria
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Dosimetria
•
Kerma mede a energia cinética transferida dos fotões para os electrões,
e é expressa em unidades de dose (Gray - Gy), onde 1 Gy corresponde
a 1 J/Kg. Substituiu o Roentgen (R)
•
A unidade de dose absorvida é o Gray (Gy), medindo a energia
absorvida de qualquer tipo de radiação ionizante por unidade de massa
de qualquer tipo de matéria. A unidade tradicional (ainda utilizada) era o
Rad, que equivale à libertação de 100 erg/g de material sujeito a
irradiação
•
A unidade de dose equivalente (mesmo efeito biológico que a mesma
dose equivalente de 200KeV) é o Sievert (Sv). Para a radiação padrão 1
Sv = 1 Gy
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Joaquim Agostinho - Imagiologia
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Dosimetria
•
A dose equivalente (H) é usada para comparar os efeitos biológicos de
diferentes tipos de radiação num tecido ou orgão
•
A dose efectiva (E) é usada para avaliar o risco no homem. A unidade
de dose é o Sievert (Sv)
•
A medição da radioactividade (A) descreve a taxa de desintegração de
uma amostra de material radioactivo. A unidade de medida é o
Becquerel (Bq), equivalendo a uma desintegração por segundo. A
unidade tradicional é o Curie (Ci)
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