Princípios Da Física Aplicados À Radiologia

De Paulo Ferreira

No século XX a medicina passou por uma revolução com a descoberta dos raios - X, que proporcionou desdobramentos inimagináveis para a área médica. A Física teve papel decisivo nessa revolução, pois ofereceu as suas descobertas para a criação dos exames de imagem e para os tratamentos de doenças malignas com o uso dos elementos radioativos. Essa ciência natural é uma ferramenta essencial para o desenvolvimento da Radiologia, portanto se faz necessário que os alunos desses cursos tenham um bom domínio dos princípios físicos utilizados nessa especialidade médica. Os alunos dos cursos técnicos, tecnológicos, de graduação e pós - graduação encontrarão nesse livro os conceitos básicos para o seu desenvolvimento profissional. Ainda sobre esse livro, vale salientar, que ele tem uma linguagem acessível e muito ilustrativa, mas sem perder o rigor científico.

• Idioma: Português
• Editora: Clube de Autores
• Data de lançamento: 16 de jan. de 2016

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PRINCÍPIOS DA FÍSICA

APLICADA À RADIOLÓGIA

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PAULO FERREIRA

PRINCÍPIOS DA FÍSICA

APLICADA À RADIOLÓGIA

1ª edição

Lauro de Freitas

Paulo do Nascimento Ferreira Júnior

2016

2

Dedico esse livro a minha

esposa Wanessa e as minhas

filhas Alice e Laura.

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AGRADECIMENTOS

Meus sinceros agradecimentos aos meus pais, irmãos, amigos, parentes e a todos que de certa forma foram inspiração para a realização desse trabalho: colegas, professores, coordenadores, diretores, admiradores e em especial meus alunos que são a razão da existência do Professor Paulo Ferreira.

Este livro não seria possível sem a ajuda dos meus colaboradores que participaram diretamente ou indiretamente na da construção desse projeto em especial a minha esposa Wanessa com quem eu sempre esclareci minhas dúvidas de Biologia e pela sua compreensão e apoio, aos meus alunos de Física das Radiações por seus questionamentos e por sempre estarem pedindo indicações de material para estudo, ao meu tio Josué por estar sempre me abrindo portas para a área da Radiologia e por ser um divulgador do meu trabalho, meu irmão Pablo por cursar comigo o curso de Imaginologia e trocarmos muitas ideias sobre esses assuntos e ao meu irmão mais novo Frederico, futuro médico da família, com quem sempre tirei duvidas da área médica.

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INTRODUÇÃO

A proposta desse livro é apresentar ao leito os conhecimentos desenvolvidos na Física sendo aplicados à Radiologia. Essa é uma especialidade médica que tem tido um crescimento bastante significativo nos últimos anos e que não seriam possíveis sem as descobertas da Física e os desenvolvimentos de técnicas da engenharia, tratando – se de uma área multidisciplinar com uma forte presença das ciências exatas. Os alunos de Radiologia de nível técnico, tecnólogo, superior e de pós – graduação encontrarão nesse livro informações dos princípios da Física de maneira muito clara e objetiva e aplicada aos conhecimentos radiológicos e também de forma ilustrativa. Os três primeiros capítulos são dedicados a conhecimentos básicos da Física e os demais dedicam – se as aplicações desses conhecimentos à radiologia e os seus desdobramentos.

A linguagem foi uma preocupação nesse trabalho, pois a expectativa é atender a aos segmentos citados anteriormente, portanto será uma linguagem simples sem perder o rigor científico com a presença de um formalismo matemático que vai das aplicações de algoritmos até o calculo diferencial e integral, mas de forma básica de tal forma que a interpretação física dos fenômenos não fique comprometida por aqueles que não tem grande domínio matemático.

No capitulo 1 serão abordadas noções sobre a estrutura da matéria, no segundo serão abordadas noções sobre a ondulatória, no terceiro sobre as leis da radioatividade. A partir do quarto capitulo inicia – se a fase de aplicação dos conteúdos básicos, nesse capitulo serão investigados a origem e o processo de produção dos raios – X, no capitulo 5 serão abordados as interações das radiações com a matéria e com organismo humano, o capitulo 6 dedica – se as noções de proteção radiológica, no sétimo capitulo serão abordados os princípios da Física aplicados à medicina nuclear e o ultimo capitulo os princípios físicos associados aos métodos de imagem desde a ultrassonografia, passando pela radiografia e a ressonância magnética até os exames a base de cintilação como o PET – CT e o SPCT.

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SUMÁRIO:

NOÇÕES SOBRE ESTRUTURA DA MATÉRIA 8

ONDULATÓRIA 22

RADIOATIVIDADE 38

RAIOS X 52

INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA 66

PROTEÇÃO RADIOLÓGICA 84

PRINCÍPIOS FÍSICOS EM MEDICINA NUCLEAR 99

PRINCÍPIOS FÍSICOS NOS MÉTODOS DE IMAGEM 115

APÊNDICE 152

REFERÊNCIAS 153

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"A coisa mais

indispensável a um homem é

reconhece

r o uso que deve fazer do seu

próprio conhecimento."

PLATÃO

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CAPÍTULO 1

A ESTRUTURA DA MATÉRIA

※ Átomos

※ Partículas subatômicas

※ Tabela Periódica

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Do que é feito o ar, a água, o ferro, o ouro, enfim do que é feito todas as coisas que nós conhecemos? Essa pergunta também foi feita pelos gregos a 400 a.C. e foi motivo de reflexão para vários filósofos da época.

Uma Ideia que esses filósofos chegaram é que se, por exemplo, ao pegar um pedaço de metal e fazer sucessivas divisões, certamente, chegaríamos a uma partícula que não seria mais possível dividir. Essa partícula recebeu o nome de átomo (átomo em grego significa não divisível).

O atomismo foi uma ideia bastante avançada para a época, que muitos séculos depois foi desenvolvido e aperfeiçoado por alguns cientistas, dando origem a áreas da Física como a Mecânica Quântica e Física Atômica e Nuclear.

1.1 O átomo hoje.

Desde a época da concepção da idéia de átomo até hoje, o modelo do átomo sofreu várias mudanças. O modelo atual afirma que o átomo é divisível em partículas subatômicas conhecida como prótons, elétrons e nêutrons.

O átomo é definido hoje como:

Sistema energeticamente estável, composto por um núcleo contendo duas partículas:

uma de carga elétrica positiva (Próton) e outra de carga elétrica nula (nêutron), cercada

por partículas de carga elétrica negativa (elétron).

1.1.1

Características físicas das partículas subatômicas.

O desenvolvimento dos conhecimentos da estrutura interna do átomo permitiu identificar as partículas subatômicas de acordo com as suas características físicas como a massa e carga elétrica.

Quadro 1.1. Características físicas das partículas subatômicas.

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1.1.2 Partículas elementares

Atualmente, sabe – se que os prótons e nêutrons são constituídos por outras partículas denominadas quarks, por exemplo, um próton é composto por dois quarks up e um down, enquanto um neutro é composto por dois quarks down e um up, essas partículas compostas por outras menores - elementares - recebem o nome de hádrons. Existe um outro de tipo de partícula elementar - que não apresentam estrutura - estas recebem o nome de léptons , tendo como exemplo os elétrons, pósitrons, neutrinos, etc.

1.1.3 Partículas de campo

Além das partículas elementares existem as partículas de campo ou quanta de campo, essas partículas são responsáveis pela força de interação entre as partículas elementares elas são os grávitons, os glúons, os fótons e os bósons.

1.2 A estrutura interna de um átomo.

A primeira partícula atômica a ser descoberta foram os elétrons acerca de dois séculos, ao final do século XIX, pelo inglês Joseph Jonh Thomson. Os prótons foram descobertos em seguida após experimentos realizados pelo físico Ernest Rutheford, em 1904, após em 1886 Elgen Goldstein detectar a presença de cargas elétricas positivas em um experimento com um tubo de raios catódicos e Rutherford, comprovar, em experiências com gás hidrogênio.

O nêutron foi descoberto em 1932 pelo físico inglês James Chadwick, utilizando o princípio da conservação da quantidade de movimento após colidir feixes de partícula alfa com uma amostra de Berilio. Após imaginar que essa colisão produzia raios gama e após realizar alguns cálculos chegou a conclusão que tratava – se de uma radiação particulada, que chamou de nêutron.

Figura 1.1. Estrutura interna do átomo.

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Em um primeiro momento é possível considerar que os elétrons encontram – se em órbita ao redor do núcleo, de maneira similar à órbita dos planetas ao redor do sol, produzindo o que frequentemente é descrito como uma nuvem ao redor do núcleo. A extensão das órbitas dos elétrons determina o tamanho de um átomo. Se um átomo pudesse ser ampliado de tal maneira que o núcleo pudesse ter o tamanho de uma bola de bilhar, o elétron mais externo seria um pequeno ponto quase 1,5 km distante. Os prótons e nêutrons são muito mais pesados que os elétrons, sendo que o número de prótons mais nêutrons encerra praticamente toda a massa do átomo, o que corresponde a aproximadamente 99,98% da massa total do átomo. Cada átomo possui uma certa quantidade de prótons no seu núcleo e elétrons nos orbitais ao redor do núcleo, que em qualquer átomo no estado fundamental (como são encontrados naturalmente) tem igual quantidade. Esse fato resulta em características peculiares, que permite caracteriza – lo como um elemento químico.

1.2.1 O núcleo

Nessa região encontram – se os prótons e os nêutrons, essa região é compacta e densa, nessa região encontra – se praticamente toda a massa do átomo.

Um elemento químico é o conjunto de átomos da matéria que mantém as mesmas

propriedades químicas.

1.2.2 A eletrosfera

Nessa região existem camadas ou níveis de energia nos quais os elétrons estão distribuídos. O número máximo de camadas eletrônicas da eletrosfera é sete, por convenção cada uma delas, é designada pelas letras maiúsculas K, L, M, N, O, P e Q, nessa ordem partindo do núcleo, ou 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7.

Figura 1.2. Camadas eletrônicas.

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Em um átomo os elétrons encontram – se em constante movimento em torno do núcleo e uma consequência imediata disso, é o fato que quanto mais afastados do núcleo menor é a energia de ligação entre o átomo e o elétron, pois o elétron tem maior energia cinética (energia de movimento) por tanto a energia de ligação de um elétron decresce a medida que ele encontra – se em uma camada mais distante do núcleo.

1.3 Número atômico (Z) e