"do núcleo" atômico -"seu modelo"

Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica - IST, FMUL
Física da Radiação
Lisboa, Portugal, 15 Dezembro 2011
Radioisótopos
Conceitos, Tecnécio e Aplicações
Marta Farracho
62845, [email protected]
Palavras-Chave: Radioactividade, Decaimentos,
Radioisótopos, Tecnécio-99m, Medicina Nuclear
Resumo: O objecto de estudo da monografia
apresentada são os radioisótopos e suas aplicações,
em particular na área da medicina nuclear. A
radioactividade é o processo através do qual
nucleos instáveis emitem um tipo de radiação
específico, alfa, beta ou gama, podendo ou não
transformar-se noutro elemento químico, de forma
a atingir a estabilidade. Cada isótopo procura a
estabilidade segundo um tipo de decaimento
específico, dependente da sua composição nuclear.
A utilização de isótopos com este tipo de
comportamento tem várias aplicações, desde a
indústria à medicina, com particular ênfase nas
técnicas de imagiologia. O Tecnécio-99m é, hoje
em dia, dos isótopos mais utilizados, por esse
motivo, são referidas com especial pormenor as
suas características físicas e químicas e focadas as
suas aplicações. Outros exemplos são o Iodo-131
ou as partículas emissoras de positrões, utilizadas,
por exemplo, em PET.
1. Introdução
A radioactividade é um processo através do
qual um núcleo rico em neutrões ou rico em
protões se transforma num núcleo mais estável.
(Lilley, 2001) Um radioisótopo é um isótopo que
apresenta um núcleo atómico instável que emite
energia quando se transforma num isótopo mais
estável. Esta energia é libertada por meio de
decaimentos radioactivos: decaimento alfa,
decaimento beta ou libertação de radiação gama.
A radioactividade é o processo aleatório, não
sendo possível prever quando é que um nuclido
radioactivo irá decair. (Lilley, 2001) Cada
radioisótopo, seja natural ou artificial, tem uma
velocidade, ou seja, um tempo de desintegração
característico. A meia-vida corresponde ao tempo
necessário para que a actividade (número médio
de desintegrações por segundo, unidade: Curie ou
Becquerel) de um radioisótopo de reduza a metade
da actividade inicial. Isto permite comparar
diferentes radioisótopos entre si. Quando um
radioisótopo atinge uma configuração estável, a
sua actividade é nula e deixa de emitir radiação.
Dependendo do valor inicial, considera-se que a
actividade de um radioisótopo é nula quando
atinge um valor 10 vezes menor que o inicial.
Porém, isto só pode ser confirmado utilizando
detectores de radiação. (Meia-vida, 2002)
Uma cadeia de decaimentos nucleares
sucessivos constitui uma série ou família
radioactiva. Existem séries de radioisótopos
naturais (Série do Urânio, Série do Actínio e Série
do Tório), constituídas por isótopos instáveis que
ocorrem naturalmente, e séries de radioisótopos
artificiais, que se começaram a desenvolver com o
avanço das tecnologias, no que diz respeito, por
exemplo, aos aceleradores de partículas. (As
famílias radioactivas, 2002)
Os radioisótopos são utilizados em diversas
áreas, desde a medicina à datação radiométrica.
1
2. Radioactividade
Radioactivos
e
Decaimentos
Tudo o que existe no mundo observável é feito
de matéria, que por sua vez é composta por
partículas chamadas átomos. Estes têm no seu
interior o núcleo atómico, rodeado por camadas
definidas de energia onde giram os electrões. O
núcleo é, em média, cerca de 10 a 100 mil vezes
inferior ao próprio átomo e comporta dentro de si
os protões e neutrões. (Fissão Nuclear, 2011)
A radioactividade é um fenómeno natural ou
artificial pelo qual algumas substâncias ou
elementos químicos são capazes de emitir
radiações como, por exemplo, partículas alfa,
partículas beta ou radiação gama. A
radioactividade é uma forma de energia nuclear e
existe devido à instabilidade de alguns núcleos
atómicos, como o Urânio, o Rádio e o Tório. Foi
observada pela primeira vez pelo francês Henri
Becquerel, em 1896. (Radioactividade, 2011)
Fig. 1 Estabilidade dos núcleos de acordo com o número atómico e
número de neutrões (Lilley, 2001)
A estabilidade nuclear está relacionada com o
número de protões e neutrões existentes no núcleo
atómico (Figura 1). Os elementos mais estáveis
têm número de neutrões próximo do número de
protões, para os elementos de número atómico até
20 (N = Z). Acima do número atómico 20, o
número de neutrões aumenta (N > Z) até se atingir
um rácio N/Z de aproximadamente 1,5 para os
elementos mais pesados. Este aumento do número
de neutrões é necessário para a estabilidade do
núcleo uma vez que, quanto maior o número de
protões, maior a repulsão entre si.
A radioactividade pode ser natural ou artificial.
A radioactividade natural ou espontânea é a que se
manifesta nos elementos radioactivos e nos
isótopos que se encontram na natureza e poluem o
meio ambiente. A radioactividade artificial ou
induzida é aquela que é provocada por
transformações nucleares artificiais. Para isso,
podem, por exemplo, bombardear-se certos
núcleos com partículas apropriadas. Se a energia
destas partículas tiver um valor adequado, estas
penetram no núcleo bombardeado formando um
novo núcleo que, no caso de ser instável, se
desintegra posteriormente. Foi descoberta pelo
casal “Joliot-Curie” (Frédéric Joliot e Irène JoliotCurie), bombardeando núcleos de boro e alumínio
com partículas alfa. Observaram que as
substâncias bombardeadas emitiam radiações após
retirar o emissor das partículas alfa. O estudo da
radioactividade permitiu um maior conhecimento
da estrutura dos núcleos e partículas subatómicas
e abriu a possibilidade da transmutação dos
elementos, ou seja, a transformação de elementos
em elementos diferentes. (Radioactividade, 2011)
Nos decaimentos radioactivos, um nuclido
instável, nuclido-pai, é transformado num nuclido
estável, nuclido-filho. Se este ainda for
radioactivo, o processo continua numa cadeia de
decaimentos até que se atinja um produto estável.
A maioria dos núcleos radioactivos naturais ou
artificiais são α ou β activos ou mesmo ambos e,
por vezes, emissores de radiação γ. (Lilley, 2001)
Essas sequências de núcleos são denominadas
séries ou famílias radioactivas.
Considera-se que existem apenas 3 séries ou
famílias radioactivas naturais: a Série do Urânio,
Série do Actínio e Série do Tório.
A Série do Actínio, na realidade, inicia-se com
o Urânio-235 mas tem esse nome porque se
pensava que começava pelo Actínio-227. As três
séries naturais terminam em isótopos estáveis do
2
chumbo, respectivamente, Chumbo-206, Chumbo207 e Chumbo-208.
A título de exemplo, apresenta-se na Figura 2 a
Série Radioactiva do Tório.
Fig. 2 Série Radioactiva do Tório (Lilley, 2001)
O desenvolvimento de reactores nucleares e
aceleradores de partículas permitiu o fabrico de
muitos radioisótopos a partir de isótopos estáveis,
originando as Séries Radioativas Artificiais, de
que é exemplo a Série do Neptúnio. (As famílias
radioactivas, 2002)
Decaimento Alfa
O decaimento alfa ocorre em nuclidos naturais
pesados, com
, e nuclidos artificiais,
. O nuclido-pai perde massa e carga de
acordo com a relação:
.O
nuclido-filho pode ou não ser estável mas situa-se,
invariavelmente, próximo da região de
estabilidade. Trata-se da emisão de um núcleo de
4
He (2 protões e 2 neutrões) por efeito de túnel
que, por motivos energéticos, é preferido em
detrimento de outras partículas (t, d, 3He, ...) que
exigiriam um input de energia. A energia libertada
no decaimento alfa corresponde à diferença de
energia de massa (mass energy) entre o nuclidopai e o(s) nuclido(s)-filho, sendo libertada como
energia cinética partilhada entre as partículas que
são emitidas. (Lilley, 2001) Exemplos de
partículas radioactivas que decaem desta forma
são o 210Po ou o 238Pu (As Radiações alfa, beta e
gama, 2002)
A
Z
X  ZA42Y  24He
Decaimento Beta+ e Beta-
(1)
O decaimento beta pode ocorrer de três formas
distintas: decaimento beta+, decaimento beta- e
captura electrónica. Uma partícula beta negativa é
semelhante a um electrão (e-) e, quando emitida, a
carga do núcleo aumenta uma unidade. Uma
partícula beta positiva é um positrão (antipartícula do electrão, e+) e, quando emitida, a
carga do núcleo diminui uma unidade. (Lilley,
2001)
Ao contrário das partículas α, as partículas β
são emitidas com um espectro de energia contínuo.
A energia máxima no espectro (end-point), é a
energia esperada da partícula emitida, de acordo
com a relação massa-energia, porém, isso não se
verifica, sendo apenas cerca de um terço do
suposto (Figura 3). Em 1931, Wolfgang Pauli
justificou esta diferença com a existência de uma
terceira partícula que foi posteriormente apelidada
de neutrino ( ), por Fermi. Esta partícula é um
fermião (spin ½), tem massa nula ou desprezável e
interage de forma imperceptível com a matéria. A
sua existência foi provada apenas em 1950, por
Reines e Cowan. (Lilley, 2001)
Fig. 3 Espectro de energia das partículas beta emitidas pelo
Berílio-210 (Lilley, 2001)
O decaimento beta é então a transformação de
um dos nucleões do núcleo, de neutrão para protão
ou vice-versa, resultando na emissão de leptões (e, ) ou anti-leptões (e+, ). Os dois processos
podem ser descritos simbolicamente como: (Lilley,
2001)
1
0
n11p 10e 
(2)
3
1
1
p01n 10e 
(3)
Os leptões e anti-leptões são originados por
acção da força nuclear fraca, motivo pelo qual o
decaimento beta é, em geral, um processo lento,
quando comparado com os processos que
envolvem interacção nuclear forte ou interacção
electromagnética. Uma vez que a energia tem que
se conservar, o processo só ocorre, e as equações
anteriores só são válidas, quando o nuclido-filho é
mais leve que o nuclido-pai. (Lilley, 2001)
Nos nuclidos ricos em neutrões, ocorre
decaimento beta-, um neutrão transforma-se num
protão e num leptão. Nos nuclidos ricos em
protões, ocorre decaimento beta+, um protão
transforma-se num neutrão e num anti-leptão. (As
Radiações alfa, beta e gama, 2002)
No decaimento beta+ pode ainda verificar-se
captura electrónica. O o núcleo capta um electrão
das orbitais atómicas interiores (captura K) e são
emitidos um neutrão e um neutrino. (Lilley, 2001)
A observação directa deste processo não é
possível. (As Radiações alfa, beta e gama, 2002)
Na Figura 4, está representado um diagrama de
decaimento beta usual, neste caso do Sódio-22. O
decaimento representado é uma junção de beta+ e
captura electrónica, que origina um estado
excitado do nuclido-filho que, subsequentemente,
decai emitindo radiação gama e dando origem a
um isótopo estável de Néon.
Ao contrário das radiações alfa e beta, que são
constituídas por partículas, a radiação gama é
formada por ondas eletromagnéticas emitidas por
núcleos instáveis. Resulta da transição dos níveis
de energia nucleares mais energéticos dos
nuclidos-filho para o estado fundamental,
directamente ou em cascata.
Isto ocorre, por exemplo, no caso do Césio-137.
Ao emitir uma partícula beta, transforma-se em
Bário-137. No entanto, pode acontecer que,
mesmo assim, se mantenha instável, originando
um isótopo metaestável de Bário-137m e
verificando-se a emissão de radiação gama (Figura
5).
Fig. 5 Decaimento do Césio-137
A energia das radiações gama varia entre as
dezenas de keV e alguns MeV. (Ramos, 2006)
X*  X 
(4)
3. Produção de Radioisótopos
Fig. 4 Esquema de decaimento do Sódio-22
Radiação Gama (γ)
Apesar de a radioactividade ser uma
característica dos nuclidos mais pesados, esta
pode também ser induzida em nuclidos leves,
fornecendo-lhes o excesso de energia necessário.
Isto pode ser feito, por exemplo, expondo os
nuclidos a feixes de neutrões em reactores
nucleares ou a feixes de partículas carregadas,
4
como protões ou partículas alfa em ciclotrões.
(Sahoo & Sahoo, 2006)
Reactores Nucleares
Nos reactores nucleares, são três os factores
que definem o tipo de reacção que ocorre quando
determinado nuclido é bombardeado com um
feixe de neutrões: a energia e o fluxo do feixe, as
características e quantidade do nuclido em questão
e a activation cross-section da reacção desejada.
O fluxo de neutrões é o produto entre a
densidade do neutrão e a sua velocidade média,
sendo expresso em n.s.cm-2.
A interacção dos neutrões com o alvo pode ser
expressa quantitativamente em termos de nuclear
cross-section. É uma medida da probabilidade que
uma determinada reacção nuclear tem de ocorrer.
Isto pode ser expresso em termos de uma secção
transversal imaginária em torno do núcleo,
perpendicular ao feixe. A reacção só ocorre se o
feixe atravessar esta secção. A secção transversal
depende da energia do feixe e de núcleo para
núcleo. Quanto maior a secção, maior a
probabilidade de formação do radioisótopo
pretendido.
Para poderem ser utilizados num reactor
nuclear, os nuclidos têm que ter características
específicas. Substâncias que sejam explosivas,
voláteis, etc, não podem ser irradiadas em
reactores nucleares. Para além disso, quanto maior
o seu grau de pureza, maior a actividade
específica do radioisótopo formado. O alvo deve
ter uma conformação tal que a depressão do fluxo
de neutrões seja mínima e deve encontrar-se
quimicamente apto a irradiação posterior.
Usualmente, são utilizados núcleos metálicos ou
óxidos.
Alguns dos isótopos produzidos em reactores
nucleares são o Iodo-131, o Fósforo-32 e o
Crómio-51. (Sahoo & Sahoo, 2006)
Ciclotrão
O primeiro ciclotrão foi desenvolvido em 1932
por Lawrence e Livingston, tendo sido utilizado
para acelerar partículas carregadas até níveis de
energia elevados sendo provocadas colisões com
alvos específicos. O Carbono-11, o Azoto-13, o
flúor-18 e o Iodo-123 são alguns dos isótopos
produzidos com recurso a ciclotrões (Figura 6).
(Sahoo & Sahoo, 2006)
Fig. 6 Isótopos produzidos em ciclotrões (Sahoo & Sahoo, 2006)
Geradores de Radionuclidos
Os geradores de radionuclidos permitem a
separação química de nuclidos-filho radioactivos
de vida curta dos seus nuclidos-pai. Tipicamente,
as técnicas utilizadas são a cromatografia de
adsorção, destilação ou separação de fases. O
Tecnécio-99m é produzido num gerador de
radionuclidos, como irá ser descrito adiante. (Keur,
2010)
Considerações gerais
São grandes as diferenças entre os reactores
nucleares e os ciclotrões. Os reactores são
máquina de grande complexidade que trabalham
24 horas por dia, exigindo vigilância contínua e
sistemas de segurança e emergência infalíveis,
para além de originarem resíduos nucleares que
perduram por grandes períodos de tempo. Os
ciclotrões variam entre o formato de um tampo de
mesa e o tamanho de uma sala de 8 por 10 metros.
Os ciclotrões têm uma série de vantagens, por
exemplo, são mais seguros e baratos em termos de
uso. Por funcionarem com electricidade, em vez
de recorrerem à fissão do Urânio, como nos
reactores, os resíduos que produzem são apenas
cerca de 10% dos produzidos nos reactores, sendo
significativamente mais inofensivos e passíveis de
5
armazenar em áreas autorizadas a resíduos de
baixa radioactividade. (Keur, 2010)
4. Tecnécio
O Tecnécio corresponde ao elemento 43 da
tabela periódica. Foi descoberto no ano de 1937,
após os grandes avanços da Física Nuclear
registados nos anos anteriores. A descoberta do
neutrão tornou óbvia a constituição do núcleo por
Z protões e N neutrões, a descoberta do positrão
revelou-se muito importante no desenvolvimento
da radiação artificial e a descoberta do deutério
teve um grande papel no desenvolvimento de
aceleradores, sendo utilizado como partícula
bombardeadora em reacções nucleares. Para além
disso, em 1932 obtiveram-se pela primeira vez as
condições
necessárias
à
simulação
da
desintegração nuclear. (F. de Jonge, 23:336-344)
Características
Tecnecio
Físicas
e
Químicas
do
O Tecnécio é um material radioactivo de massa
atómica 98 g.mol-1 e aparência semelhante à
platina. Tem linhas de emissão características para
os comprimentos de onda de 363.3 nm, 403.1 nm,
426.2 nm, 429.7 nm e 485.3 nm. A sua forma
metálica é paramagnética e torna-se supercondutor
a temperaturas inferiores a 7.46 K. As suas
temperaturas de fusão e ebulição são,
respectivamente, de 2430 K e 4538 K, e a sua
densidade é de 11 g.cm-3. (Dean, 1999)
O Tecnécio situa-se no sétimo grupo da tabela
periódica, entre o Rénio e o Manganês. Entre estes,
as propriedades químicas do Tecnécio são
semelhantes às do Rénio, principalmente no que
respeita à formação de ligações covalentes. O
Tecnecio forma catiões quando ionizado e os seus
estados de oxidação mais comuns são o +4, +5 e
+7. A sua primeira energia de ionização é de 702
kJ.mol-1. É solúvel em água, ácido nítrico e ácido
sulfúrico. A sua entalpia de fusão é de 33.29
kJ.mol-1 e a de vaporização é de 585.2 kJ.mol-1.
(N. Greenwood, 1997)
Isótopos do Tecnécio
O Tecnécio é, dos elementos sem isótopos
estáveis, o que tem um menor número atómico,
porém, foram já identificados 22 isótopos não
estáveis, cujas massas atómicas variam entre
87.933 u (88Tc) e 112.931 u (113Tc). (Tc Technetium, 2011)
A não existência de isótopos estáveis do
Tecnécio pode ser explicada pela fórmula de
Weizsäcker. Esta corresponde a uma aproximação
matemática de várias propriedades dos núcleos,
segundo a qual a energia de ligação de um núcleos
é dada pela soma de cinco termos: a energia de
volume, a energia de superfície, a energia de
Coulomb, a energia assimétrica e a energia de
emparelhamento, e prevê um vale de estabilidade.
Assim, os nuclidos que se afastam deste vale terão
um comportamento radioactivo e tenderão a decair
em direcção ao centro do vale, de forma a atingir a
estabilidade.
No caso do Tecnécio, a estabilidade está
localizada para um número de nuclões (A) igual a
98. Ao decair, o Tecnécio origina isótopos de
Molibdénio ou Ruténio, para os quais existe já um
isótopo estável com um número de nucleões entre
95 e 102, o que significa que não poderá existir
um isótopo estável de Tecnécio para A = 98. Para
além disso, segundo a regra de exclusão de Pauli,
a estabilidade verifica-se para um número de
nucleões ímpar. (Technetium)
Apesar de nenhum dos isótopos do Tecnécio
ser estável, existem alguns com tempos de semivida bastante elevados. O modo primário de
decaimento do Tecnécio é por captura electrónica,
originando o Molibdénio. Os isótopos mais
pesados tendem a sofrer decaimento beta-,
originando Ruténio.
Alguns isótopos do Tecnécio possuem
metaestados, ou seja, formas mais isoméricas mais
estáveis de determinados isótopos, cujo tempo de
semi-vida difere em várias ordens de grandeza.
Exemplo disso são os isótopos 99Tc e 99mTc que
têm, respectivamente, tempos de semi-vida de
milhares de anos e 6 h. O isótopo 99mTc é um dos
metaestados mais estáveis dos isótopos de
6
Tecnécio. No caso dos isótopos metaestáveis de
Tecnécio, verifica-se que estes podem decair de
formas distinta consoante o seu número de
nucleões. O decaimento pode ser directo, por
captura electrónica, originando AMo para A < 98,
ou por decaimento beta-, originando ARu para A ≥
98. Contrariamente pode verificar-se decaimento
indirecto, através de transições isoméricas
(emissão de radiação gama ou conversão interna),
originando ATc que irá posteriormente decair. Em
geral, uma das formas de decaimento tem uma
probabilidade de ocorrência consideravelmente
superior a outra. No caso do 99mTc, a mais
provavel é a emissão de radiação gama, devido a
uma transição isomérica.
como o Urânio ou o Plutónio, em reacções com
um rendimento entre 4.9 e 6.21%. As suas
aplicações são essencialmente na industria física e
química, tais como em calibração de aparelhos,
catalisador de reacções, etc. Em termos de
segurança, apesar do seu elevado tempo de semivida (milhares de anos), não é um isótopo estável
e requer alguns cuidados de manuseamento.
(Schwochau, 2000)
Tecnécio-99 e Tecnécio-99m
O Tecnécio não existe em grandes quantidades
na natureza, foi identificado apenas em pequenas
quantidades em minérios de Urânio na crosta
terrestre ou na análise dos espectros de algumas
estrelas. Tanto o Tecnécio-99 como o Tecnécio99m são produzidos industrialmente para diversas
aplicações.
O Tecnécio-99 é obtido na fissão de actinídeos
Fig. 8 Esquema de decaimento do Tecnécio-99
Na Figura 7, está representado o esquema de
decaimento do Tecnécio-99. Como é possível
observar, este isótopo pode decair verificando-se
um de dois decaimentos beta distintos. Contudo,
dado que a probabilidade de um deles é
consideravelmente elevada, o outro não costuma
sequer ser referido. Além disso, nos casos em que
Fig. 7 Esquema de decaimento do Molibdénio-99 (Firestone, 1998)
7
esse se verifica, é logo seguido de um segundo
decaimento (tempo de semi-vida da ordem dos
nanossegundos) para o estado estável do Rubídio99.
Uma vez que as energias envolvidas no
decaimento do Tecnécio são reduzidas (keV), as
partículas beta são facilmente travadas dentro de
um laboratório, podendo emitir raios-X de baixa
energia. Apesar de isto não implicar grandes
riscos, o perigo está na possibilidade de serem
inaladas pequenas poeiras de Tecnécio que
poderão estar na origem de cancro do pulmão. Por
este motivo, o Tecnécio deve ser manuseado
dentro de uma hotte. (Schwochau, 2000)
O
Tecnécio-99m
é,
como
referido
anteriormente, um dos isómeros metaestáveis do
Tecnécio. Para dar origem ao Tecnécio-99, sofre
uma diminuição da energia do núcleo por
libertação de radiação gama. Exibe múltiplos
estados de oxidação (valências de +7 a -1), o que
facilita a sua ligação a substratos orgânicos ou
moléculas, como são os fármacos necessários à
sua distribuição correcta pelo organismo. É obtido
no decaimento do Molibdénio-99 e tem um tempo
de semi-vida de aproximadamente 6 horas. Este
valor é relativamente elevado quando comparado
com outros isótopos emissores deste tipo de
radiação, mas obriga a que a sua produção seja
feita no local de utilização já que, a ter que ser
transportado para longas distâncias, ao chegar ao
destino poderia já quase não existir. Assim, foram
desenvolvidos geradores de 99mTc, que permitem a
sua produção por decaimento do 99Mo que, tendo
um tempo de semi-vida de cerca de 66 horas, já
pode ser transportado. (Technetium-99m, 2011)
Analisando o espectro de decaimento do
Molibdénio-99, verifica-se que o decaimento
directo para 99mTc tem uma probabilidade de
ocorrência bastante elevada, de 82.4%. Para além
disso, ainda que decaia para outros isótopos
metaestáveis do Tecnécio, muitos deles acabam
por se transformar também em 99mTc.
A grande maioria dos geradores de produção
deste isótopo, utilizam cromatografia em coluna e
Molibdénio-99 sob a forma de
adsorvido
em alumina ácida (Al2O3). Ao decair, transformase em pertecnato (
) que, por ter carga
negativa, fica preso na coluna. Posteriormente, a
coluna é atravessada por uma solução salina que
provoca a libertação do Tecnécio. O resultado é
uma solução salina contendo o isótopo pretendido.
(Technetium-99m, 2011)
O 99mTc pode decair para 99Tc com a emissão
de radiação gama, de acordo com o espectro
(incompleto) representado na Figura 8.
99m
Tc99Tc  
(5)
A probabilidade de decaimento mais elevada
(89%) é a de emissão de radiação gama com uma
energia de 141 keV. Esta é de especial
importância pois está na base da utilização deste
isótopo na medicina, como irá ser descrito
posteriormente.
Fig. 8 Esquema de decaimento do Tecnécio-99m (Firestone, 1998)
5. Radioisótopos na Medicina
Desde sempre, existiu uma estreita relação
entre as descobertas da física atómica e nuclear e
as suas aplicações na medicina, particularmente
nas áreas de imagiologia não invasiva e
tratamento do cancro. (Lilley, 2001) A medicina
nuclear é uma especialidade médica que utiliza
radionuclidos ou radiofármacos para o estudo,
diagnóstico ou tratamento de doenças. (Pena, 2009)
Na investigação diagnóstica, os critérios de
selecção para o uso de radioisótopos são: um
tempo de semi-vida relativamente curto, a emissão
de fotões com baixa energia mas suficiente para
ser detectada mesmo quando emitida a partir de
8
estruturas profundas, a não emissão de partículas
radioactivas (alfa e beta) e uma actividade
específica (MBq.mg-1) máxima, afim de não
desencadear uma resposta tóxica ou afectar a sua
biodistribuição. (Pena, 2009)
Na terapêutica, os critérios de selecção são a
emissão de partículas radioactivas com uma
capacidade de penetração máxima equivalente à
dimensão da lesão a tratar, a emissão
concomitante de radiação gama, permitindo a
visualização do radionuclido no alvo e uma
actividade específica média ou alta. (Pena, 2009)
Os radioisótopos foram utilizados pela
primeira vez, na medicina, em 1936, sendo os
primeiros produzidos utilizando ciclotrões. (Lamb,
1981)
O Flúor-18 foi o primeiro a ser utilizado, em
1936, em imagem médica, para análise do
esqueleto, e era esperado que tivesse um grande
interesse comercial. Em 1970, era o isótopo
escolhido para a realização de cintigrafias de
detecção de lesões ósseas. Como alternativa,
existia um Estrôncio-85, porém, a vida média
deste era demasiado longa e demorava bastante
até que fosse totalmente removido do organismo.
A desvantagem do Flúor-18 devia-se, contudo,
também à sua meia-vida que, por ser demasiado
curta (110 minutos) inviabilizava a sua produção
para comercialização em larga escala. (Lamb,
1981)
Desde o início da década de 40, o tratamento
do hipertiroidismo e do cancro da tiróide tem sido
feito com administração de Iodo-131, sendo este
muitas vezes referido como um dos principais
exemplos de utilização de substâncias radioactivas
para marcar tecidos específicos. (Lilley, 2001)
Em 1962, foi utilizado pela primeira vez o
Iodo-123 numa imagem de cintigrafia. Este veio
substituir o até então utilizado Iodo-131, já usual
nos estudos da função da tiróide. Com o Iodo-123
a dose de radiação absorvida pelos doentes é cerca
de 30 a 40% inferior. (Lamb, 1981)
Em 1969, foi demonstrada a utilização do
Gálio-67 na localização de tumores de tecidos
models, e do Índio-111 na localização de tumores
e em cintigrafias linfáticas. (Lamb, 1981)
O Potássio-43 começou por ser utilizado no
estudo do miocárdio, já que era possível extraí-lo
do sangue para o tecido em questão de forma
rápida e eficaz. Para além disso, as sua radiação
gama tem energia suficiente (619 keV) para a
obtenção de imagens com uma qualidade
significativa. Porém, a sua produção tinha um
Fig. 9 Radioisótopos utilizados na medicina até 1970 (Lamb, 1981)
9
rendimento bastante reduzido. O Rúbidio-81, por
seu lado, tinha uma utilização idêntica e um
rendimento de produção consideravelmente
superior. (Lamb, 1981)
O Carbono-11, Azoto-13 e Oxigénio-15,
radioisótopos de vida curta, eram utilizados
unicamente em investigação, em centros onde
existisse um ciclotrão, para a sua produção,
próximo do centro de imagiologia, para a sua
utilização. (Lamb, 1981)
Na Figura 9, encontra-se representada um
tabela contendo todos os radioisótopos existentes
em 1970 e respectiva utilização na medicina.
Actualmente, os radioisótopos são utilizados
como marcadores em diagnóstico e terapia de
doenças variadas. O Tecnécio-99, por exemplo,
está na base de cerca de 30 radiofármacos
diferentes, utilizados tanto em imagiologia como
em estudos funcionais de uma série de órgãos, i.e,
cérebro, pulmões, rins, etc. Outro exemplo é a
terapia por captura de neutrões pelo Boro, na qual
é feita a irradiação do isótopo estável Boro-10
com neutrões, originando partículas ionizadas de
Hélio e Lítio, sendo utilizada no tratamento do
cancro. (Efferth & Langguth, 2011)
Nos últimos anos, a procura por radioisótopos
tem vindo a crescer de forma constante, em
particular, os radioisótopos de via curta
necessários à medicina nuclear. Um dos principais
problemas deste tipo de radioisótopos prende-se
com o seu transporte. Uma vez que o seu tempo
de vida é muito curto, decaem rapidamente e, por
esse motivo, não podem ser transportados para
grandes distâncias sob risco de grande parte do
produto se perder. (Razazi & Gharehbagh, 2010)
Experiências realizadas nos últimos seis anos
têm demonstrado que é possível produzir
radioisótopos de vida curta (Short-Lived
radioisotopes – SLRs), com uma actividade de
apenas alguns micro Curie que podem ser
utilizados para produzir SLRs que possam ser
utilizados em exames de Tomografia por Emissão
de Positrões (Positron Emission Tomography –
PET). (Razazi & Gharehbagh, 2010) O
desenvolvimento da tecnologia PET teve por base
a combinação de nuclidos emissores de positrões e
o desenvolvimento da tomografia computorizada
(Computed Tomography – CT). Na Figura 10
encontram-se listados os radioisótopos mais
comuns utilizados neste tipo de exame
imagiológico.
O Tecnécio-99m é o radionuclido mais
frequentemente utilizado em estudos de medicina
nuclear. Está facilmente disponível, sendo
produzido localmente, em meio hospitalar, com
recurso a geradores portáteis (99Mo/99mTc). (Pena,
2009)
O Tecnécio-99m actua como agente
radioactivo dentro do organismo e a sua
actividade pode ser detectada do exterior. A sua
aplicabilidade justifica-se por vários motivos. O
seu tempo de semi-vida, sendo de 6 horas, é
suficientemente longo para que sejam realizados
exames e suficientemente curto para que não
permaneça no organismo. Para além disso, emite
radiação gama com uma energia de 141 keV que é
possível detectar com a tecnologia de raio-X
actual. Por fim, ao decair origina o isótopo 99Tc
que, tendo um tempo de semi-vida na ordem dos
milhares de anos, não sujeita o organismo à
emissão de partículas beta.
Fig. 10 Radioisótopos mais comuns utilizados em PET
10
Muitos dos exames realizados no âmbito da
medicina nuclear utilizam, actualmente, 99mTc.
Antes de ser administrado, o 99mTc é ligado a um
fármaco específico cuja função é transportá-lo
para o órgão ou tecido pretendido. No caso da
análise da perfusão do miocárdio, por exemplo, é
utilizado o Sestamibi. A ligação aos glóbulos
brancos permite a análise de locais de infecção.
Algumas das principais técnicas de medicina
nuclear que recorrem à utilização de 99mTc são a
Cintigrafia Óssea, que permite a avaliação da
densidade óssea e utiliza um fármaco que permite
a integração do 99mTc com os osteoblastos,
responsáveis pela formação do tecido ósseo, e
permite detectar pequenas fracturas invisíveis no
raio-X ou tumores ósseos; e o Estudo da Perfusão
do Miocárdio, que permite obter uma imagem
funcional do miocárdio e permite o diagnóstico de
isquémia, baseando-se no facto de que, quando
lesado e em condições de stress, o fluxo sanguíneo
no miocárdio é reduzido. (Technetium-99m, 2011)
Fig. 11 Estudo da Perfusão do Miocárdio
Para além destas, o 99mTc é ainda utilizado em
imunocintigrafia, ventriculografia cardíaca ou na
obtenção de imagens funcionais do cérebro. As
doses de Tecnécio administradas em exames de
cintigrafia variam, usualmente, entre 10 e 30 mCi,
em adultos, o que equivale a cerca de 500 raios-X
torácicos. (G. Bedetti, 2088) Pelas características
apresentadas anteriormente, isto não é lesivo para
o doente. (Technetium-99m, 2011)
Um exemplo prático bem conhecido é o uso do
Iodo-131, que emite partículas beta e radiação
gama e tem um tempo de semi-vida de oito dias.
O Iodo-131 apresenta as características ideais
para aplicação em Medicina, tanto em diagnóstico
como em terapia: tem um tempo de semi-vida
curto, é absorvido preferencialmente por um órgão
(a tiróide) e é eliminado rapidamente do
organismo. A energia da radiação gama que emite
é baixa. (Medicina Nuclear, 2002) É utilizado em
diagnóstico ou terapia para eliminação de lesões
identificadas na tiróide, aplicando-se uma dose
superior no caso da utilização terapêutica.
(Radioisótopos na Medicina, 2002)
O funcionamento da tiróide tem uma grande
influência no comportamento de um indivíduo e
pode ser avaliado estudando avaliando a forma
como o Iodo-131 é absorvido pela glândula. Para
diagnóstico de problemas na tiróide, o doente
ingere uma solução de Iodo-131 que é absorvida
pela glândula. Utilizando um detector colocado
próximo do pescoço do paciente, é possível
observar se o Iodo foi muito ou pouco absorvido e
avaliar a sua distribuição na glândula obtendo um
mapeamento, a preto e branco ou colorido, que é
posteriormente comparado com um mapeamento
padrão de uma tiróide normal. A mesma técnica é
utilizada para diagnóstico de problemas no fígado
e no pulmão.
Outro radioisótopo, o Samário-153, é utilizado
como paliativo para a dor, podendo ser
administrado a doentes com tumores e metástases
no tecido ósseo. (Medicina Nuclear, 2002) Tem
um tempo de semi-vida de cerca de 46 horas e
emite radiação gama com uma energia de 103 keV
e partículas beta com um poder de penetração de
3,1 mm nos tecidos moles e 1,7 mm no tecido
ósseo.
11
Fig. 12 Gamagrafia óssea com Samário-153
O Césio-137 e, posteriormente, o Cobalto-60
são isótopos radioactivos utilizados para destruir
células de tumores. Um dos aparelhos de
radioterapia é a Bomba de Cobalto, utilizada no
tratamento do cancro. Trata-se de uma fonte
radioactiva de Cobalto-60, encapsulada e blindada
para impedir a passagem de radiação. A
substituição das fontes de Césio-137 pelas fontes
de Cobalto-60 deveu-se a uma questão de
rendimento terapêutico. No momento da utilização,
a fonte é deslocada, dentro do invólucro de
protecção, para a frente de um orifício que permite
a passagem de um feixe de radiação para a região
a ser irradiada. Finda a irradiação, a fonte é
recolhida para a posição anterior. (Radioterapia,
2002)
6. Outras Aplicações
Os isótopos radioactivos não tem aplicações só
na medicina, são utilizados em muitas outras áreas,
tais como a indústria química e física, datação
radiométrica, entre outras.
O Carbono-14, por exemplo, é utilização em
datação. Encontra-se em fósseis de madeira,
papiros e animais e tem um período de semi-vida
de 5600 anos, o que significa que, a cada 5600
anos, a sua actividade é reduzida a metade.
Medindo-se a proporção de Carbono-14 existente
nos materiais em estudo, é possível saber a sua
idade. Foi assim, por exemplo, que se determinou
a idade dos Pergaminhos do Mar Morto. (Datação
do Carbono - 14, 2002)
A aplicação de radioisótopos mais conhecida
na indústria é na radiografia de peças metálicas ou
gamagrafia industrial. Os fabricantes de válvulas
usam a gamagrafia para controlo de qualidade, ou
seja, para verificar se há defeitos ou fissuras no
corpo das peças. Este é um procedimento comum,
por exemplo, na indústria de aviação, já que são
necessárias inspecções frequentes nos aviões para
verificar se há fadiga nas partes metálicas e soldas
essenciais sujeitas a maior esforço (por exemplo,
nas asas e nas turbinas).
Uma outra aplicação industrial dos
radioisótopos é na medição do nível de líquidos
em tanques de armazenamento. Para isso, é
colocada uma fonte radioactiva num dos lados do
tanque e, no lado oposto, um detector ligado a um
aparelho de indicação ou de medição. Quando o
líquido alcança a altura da fonte, a maior parte da
radiação emitida é absorvida por ele e deixa de
chegar ao detector, indicando que o líquido atingiu
o nível marcado. Para indicar um nível mínimo de
líquido desejado, a fonte e o detector são
colocados na posição adequada e, quando o
líquido atingir esse ponto, deixará de absorver a
radiação, que chegará ao detector com maior
intensidade. Em geral, acrescenta-se um sistema
de alarme para soar quando o nível marcado é
atingido. Um exemplo desta técnica é a
verificação automática dos níveis de líquidos em
garrafas, latas e vasilhames em geral, durante o
processo de enchimento. Esta técnica é utilizada
pela indústria de alimentos, em especial a de
refrigerantes e cervejas. (Gamagrafia e Medidores
de Níveis, 2002)
7. Conclusões
Sumariamente, é possível concluir que os
radioisótopos assumem uma importância cada vez
maior em vários sectores.
As ciências da vida são uma área na qual
físicos, químicos e engenheiros procuram, cada
vez mais, dar o seu contributo. As tecnologias são
desenvolvidas no sentido de colocar ao dispor do
Homem ferramentas que lhe possibilitem
melhorar a sua qualidade de vida e contribuir para
o desenvolvimento de técnicas de diagnóstico e
12
terapias cada vez melhores, para as mais variadas
doenças. Assim, os radioisótopos, e fármacos
necessários à sua utilização, merecem especial
atenção, em particular no que diz respeito a
técnicas de imagiologia. Estas permitem avaliar o
funcionamento de vários órgãos, tais como a
perfusão do miocárdio ou o cérebro e são, por isso,
um recurso indispensável.
Por outro lado, os radioisótopos permitem
também o desenvolvimento de aplicações
industriais de extrema utilidade e são necessários
à avaliação do estado de conservação de estruturas
e instalações das quais, por vezes, pode depender
a vida humana, como é o caso dos aviões.
Assim, considera-se que esta é uma área com
um grande potencial de estudo, na qual não devem
ser diminuídos os esforços no sentido de
proporcionar à sociedade o melhor do que a
ciência e tecnologia de ponta possam permitir.
13
8. Referências
137Cs. (s.d.). Obtido em 10 de Dezembro de 2011, de
Laboratórios de Física da Radiação:
http://www.lip.pt/~patricia/FisicaDaRadiacao/Figuras
/137Cs_Lederer.png
Lilley, J. (2001). Nuclear Physics: Principles and
Applications. Chichester, England: John Lilley & Sons,
Ltd, The Atrium.
Marks, S. O. (1995). A functional role for REM sleep in
brain maturation. Beahv. Brain Research , 69: 1-11.
As famílias radioactivas. (10 de Julho de 2002). Obtido
em 1 de Dezembro de 2011, de Site Atómico:
http://atomico.no.sapo.pt/02_07.html
Medicina Nuclear. (10 de Julho de 2002). Obtido em 1
de Dezembro de 2011, de Site Atómico:
http://atomico.no.sapo.pt/09_07.html
As Radiações alfa, beta e gama. (10 de Julho de 2002).
Obtido em 1 de Dezembro de 2011, de Site Atómico:
http://atomico.no.sapo.pt/02_03.html
Meia-vida. (10 de Julho de 2002). Obtido em 1 de
Dezembro de 2011, de Site Atómico:
http://atomico.no.sapo.pt/02_06.html
Bonnet, M. H. (2003). Clinical effects of sleep
fragmentation and sleep deprivation. A clinical review.
Sleep medicine Reviews , 7(4): 297 - 310.
Monteiro, M. M., & Ferreira, P. T. (2006). Ser Humano
- 2ª parte. Porto: Porto Editora.
Cronfli, D. R. (2002). A Importância do Sono. Revista
Cérebro & Mente .
Neves, D. A. (2006). Ciência da informação e cognição
humana: uma abordagem do processamento da
informação. Ci. Inf. , 39-44.
Datação do Carbono - 14. (10 de Julho de 2002).
Obtido em 1 de Dezembro de 2011, de Site Atómico:
http://atomico.no.sapo.pt/09_01.html
Radioisótopos na Medicina. (10 de Julho de 2002).
Obtido em 1 de Dezembro de 2011, de Site Atómico:
http://atomico.no.sapo.pt/09_06.html
Efferth, T., & Langguth, P. (2011). Transport processes
of radiopharmaceuticals and modulators. Efferth and
Langguth Radiation Oncology , 6:59.
Radioterapia. (10 de Julho de 2002). Obtido em 1 de
Dezembro de 2011, de Site Atómico:
http://atomico.no.sapo.pt/09_08.html
Ficcaa, G., & Salzarulob, P. (2004). What in sleep is for
memory. Sleep Medicine , 225-230.
Firestone, R. (1998). Table of Isotopes.
Ramos, S. (2006). Processos e Desintegrações
Nucleares. Obtido em 10 de Dezembro de 2011, de
Física da Radiação:
http://www.lip.pt/~sramos/ist/frad/teor/t2.html
G. Bedetti, C. P. (2088). Suboptimal Awareness of
Radiological Dose Among Patients Undergoing Cardiac
Stress Scintigraphy. Journal of the American College of
Radiologu , pp. 5(2):126-131.
Razazi, V., & Gharehbagh, R. M. (2010). Activities
study of PET's radioisotopes Production. 17th Iranian
Conference of Biomedical Engineering (ICBME2010).
Urmieh.
Gamagrafia e Medidores de Níveis. (10 de Julho de
2002). Obtido em 1 de Dezembro de 2011, de Site
Atómico: http://atomico.no.sapo.pt/09_10.html
Sampaio, C. (02 de Fevereiro de 2004). Quando
dormimos também estamos aprendendo. Saúde em
Movimento .
Guyton. (2005). Textbook of Medical Physiology 11 Ed.
Schwochau, K. (2000). Technetium: Chemistry and
Radiopharmaceutical applications. Wiley-VHC.
Lamb, J. F. (1981). COMMERCIAL PRODUCTION OF
RADIOISOTOPES FOR NUCLEAR MEDICINE. IEEE
Transactions on Nuclear Science , pp. Vol. NS-28, No. 2.
Technetium-99m. (26 de Outubro de 2011). Obtido
em 15 de Dezembro de 2011, de Wikipedia:
http://en.wikipedia.org/wiki/Technetium-99m
14