Física das Radiações

Os Raios X e Sua Produção

O que é uma radiografia?

É uma gravação fotográfica visível, em filme, produzida pela passagem de raios X através de um objeto ou corpo. A radiografia torna possível estudar as estruturas internas do corpo como auxiliar de diagnóstico. Como uma radiografia é produzida - quais a reações físicas e químicas que ocorrem?

O que são raios X?

Por definição, raios x são uma forma de radiação eletromagnética parecida com a luz vizível mas de menor comprimento de onda. O primeiro passa para o entendimento da produção de uma radiografia é o conhecimento da natureza dos raios x e seu comportamento. Desta forma, consideremos os dois aspectos de seu comportamento como ondas e partículas.

Uma onde pode ser definida como uma variação ou pertubação que transfere progressivamente energia radiante de um ponto a outro através de um meio. (Energia é simplesmente a capacidade para realizar um trabalho.) Uma vez que esta energia radiante viaja com movimento ondulador, uma caracteristica mensurável é seu comprimento de onda. O fato de que raios X têm ambos os aspectos de ondas e partículas ou vice-versa. Na verdade, outros fatores, tais como a maneira pela qual a radiação está sendo utilizada ou o método usado para localizá-lo ou gravá-la, determina qual dos dois aspectos (ondas ou partículas) constituem o conceito mais adequado.

Para ajudar a esclarecer o conceito de ondas e comprimento de onda, imagine a pertubação causado num lago tranqüilo quando se atira a estua uma pedra. Assim que a pedra toca na água, algumas de seus energias produzem ondes que viajam externamente em círculos cada vez maiores. Embora a água esteja em movimento, ele não viaja progressivamente para frente. Por exemplo, uma folha que flutua subiria e desceria com as ondas, mas não sairia de seu local original. A energia aplicada à água é convertida em ondas que procedem de dentro para fora. O comprimento de onda das águas é a distancia de uma crista a outra ou de uma depressão a outra. Em qualquer sistema de ondas, a distância entre dois locais sucessivos correspondentes no padrão de energia em movimento chama-se comprimento de onda.

O Espectro Eletromagnético

Raios X, raios, gama, ondas de rádio, luz, etc. são ondas de energia de influência elétrica e magnética. Elas são chamadas de ondas eletromagnéticas e viajam a enorme velocidade - aproximadamente 300.000 km por segundo. Todas estas formas de radiação eletromagnética são agrupadas de acordo com o seu comprimento de onda no que se chama de espectro eletromagnético. O diagrama (fig.1) mostra sua localização no espectro e alguns de seus usos mais comuns.

RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

O comprimento de cada onda eletromagnética gerada por corrente alternada de 60 hertz (ciclos por segundos) é aproximadamente a distância entre uma costa a outra dos Estados Unidos. Os comprimentos de ondas usadas em televisão é mais ou menos igual a altura de um homem. Os raios X médicos - medem aproximadamente 1/10.000 do comprimento de onda da luz vízível - têm um comprimento de onda de mais ou menos um bilionésimo de uma polegada. Eles são comumente medidos em nonômetros abreviado nm), que é igual a um-milionésimo de um milimetro. Em radiografia médica se empregram comprimentos de ondas de aproximadamente 0.01 a 0,05 nm (0,1 a 0,5 angstrom). Em publicações anteriores, o comprimento de ondas para radiação eletromagnética era comumenda dado em unidades de angstrom (abreviado Â). Uma unidade de angstron é igual a 1/10 de nanômetro. O comprimento de onda da luz no centro de um espectro visível é de aproximadamente 550 nm enquanto que os raios X usados para radiografia, aqueles próximos ao centro do espectro de raios X médico têm um comprimento de onda de aproximadamente 0,055 nm ou mais ou menos 1/10.000 da luz visível.

Ondas e Partículas

Uma parte da natureza dupla dos raios X é sua habilidade de agir como se consistissem de pequenos pacotes separados de energia chamados quanta ou fóton. Em certas circunstâncias, a ação de um feixe de raio X é mais fácil de se compreender se for considerado como uma chuva de partículas em vez de uma sucessão de ondas.

As duas "naturezas" dos raios X são inseparáveis. Por exemplo, para se saber a energia de um único quanta (um dos pequenos pacotes separados de energia), deve-se saber o comprimento de onda da radiação. O comprimento de onda, entretanto, é uma característica de onda e deve ser determinada através da consideração da natureza ondulatória da radiação.

Propriedades Fundamentais dos Raios X

Os raios X obedecem todas as leis da luz. Entretanto, por causa de seu curto comprimento de onda, é dificil demonstar fenômenos, tais como reflexão, para raios X usando aparelhagem óptica comum. Eles também têm certas propriedades de especial interesse.

1. Por causa de seu comprimento de onda extremamente curto, eles são capazes de penetrar materiais que absorvem ou refletem luz visível.

2. Fazem fluorescer algumas substâncias; isto é, emitem radiação de maior comprimento de onda (por exemplo, radiação visível e ultravioleta).

3. Assim como a luz, eles podem produzir uma imagem em um filme fotográfico que poderá então se tornar visível atraves da revelação.

4. Eles produzem mudanças biológicas valiosas em radioterapia, mas necessitam cuidado no uso da radiação X.

5. Eles podem ionizar os gazes: isto é, eles removem elétrons dos átomos para formar íons, os quais podem ser usados para medir e controlar a exposição.

Estas especiais propriedades têm aplicações em radiografia médica e industrial, em radioterapia e em pesquisa.

O Tubo de Raio X

Como são gerados os raios X?

Os raios X são produzidos quando elétrons em alta velocidade (partículas minúsculas, cada uma carregando uma carga elétrica negativa) chocam-se com matéria em qualquer forma. Dentro de um tubo de raios X isto é feito pela direção de uma corrente de elétrons em alta velocidade contra um objeto de metal. Conforme eles se chocam com os átomos do objeto, os elétrons liberam a maior parte de seua energia na forma de calor. Para condições normais de exposição usadas em radiografia médica, aproximadamente um por cento de sua energia é emitida em forma de raios X.

A maneira mais eficiente de se gerar raios X é através de um tubo de raios X, e a forma mais simples de tubo de raios X é um invólucro de vidro vedado á vácuo. As duas partes mais importantes do tubo são o cátodo e o ânodo.

Cátodo (-) é composto de um fio de tungstênio (filamento) enrolado na forma de uma espiral com aproximadamente 1,5 mm de diâmetro e de 10 a 15 mm de comprimento. É montado em um prendedor chamado de copo de foco, aproximadamente a 2,5 cm de distância do ânodo. Os fios do filamento se extendem ao lado de fora do tubo de maneira a produzir conexões elétricas.

O filamento é aquecido e se ilumina (incandesce) da mesma forma que o filamento de uma lâmpada comum. Entretanto, não é aquecida para produzir luz, mas sim para agir como uma fonte de elétrons que são emitidos pelo filamento. O comprimento e diâmetro do filamento espiral, a forma e tamanho do copo de foco, e suas relativas posições são fatores que afetam a forma e tamanho do local onde os elétrons irão se chocar com o ânodo. A temperatura do filamento controla a quantidade de elétrons emitidos. Se a temperatura é aumentada, mais elétrons são emitidos, e fluxo da corrente elétrica através do tubo de raios X (mA) aumenta.

Ânodo (+) É comumente formada de um bloco de cobre, o qual extende de um lado até ao centro do tubo. Uma placa de tungstênio de aproximadamente 10 a 15 mm quadrados e 3 mm de espessura se localiza na face anterior do ânodo, ao centro do tubo. Este é chamado de objetivo e é comumente feito de tungstênio porque o tungstênio tem um ponto de fusão alto (aproximadamente 3400ºC e deste forma suporta o calor extremo ao qual está sujeito, e tem um número atômico alto (74) e é um produtor de raios X mais eficiente do que materiais com números atômicos menores. A pequena área do abjetivo na qual os elétrons se chocam é chamado de ponto focal ou fonte. e é a origem dos raios X.

Em aplicações especializadas usa-se outros tipos de materiais para objetivo, tais como o molibidênio. Há dois tipos de ânodo, o fixo e o giratório.

A Produção de Raios X

Quanto um potencial elétrico muito alto (quilovolts ou milhares de volts) é aplicado através dos dois componentes do tubo de raios X, o cátodo e o ânodo, os elétrons emitidos são atraídos pelo ânodo de tal maneira que eles se chocam no ponto focal com tremenda força. Quanto maior o potencial, maior a velocidade destes elétrons. Alta voltagem resulta em raios X de comprimentos de ondas mais curtas e de maior poder de penetração, assim como de maior intensidade. Entretanto, mesmo os elétrons que tenham a mesma energia, quando atingem o ponto focal podem produzir raios X que diferem de energia ou comprimento de onda. Esta variação em energia de raios X resulta das diferenças nas maneiras que elétrons individuais se relacionam com os átomos do objetivo, ponto focal. De qualquer forma, quanto maior a voltagem aplicada ao tubo de raios X, maior é o número de fótons de raios X de maior energia.

A Produção de Calor

O calor (assim como os raios X) são gerados pelo impacto de elétrons. Somente aproximadamente um por cento da energia resultante deste impacto é emitida do ponto foncal ou fonte em forma de raios X. A maioria da energia se dissipa em forma de calor. Este calor deve ser retirado do ponto focal de maneira mais eficiente possível. Do contrário o metal poderá se derreter e o tubo destruído.

Em tubos com anodos fixos, coloca-se na parte posterior do objetivo um metal que seja com condutor de calor, tal como o cobre, que mutas vezes se estende através do invólucro de vidro a um radiador de chapa para dissipar o calor para fora do tubo. Outro método de esfriamento consiste em colocar o tubo junto a um recipiente metálico contendo óleo ao qual será transferidoa calor do ânodo.

Como anteriormente mencionado, o ponto focal real é a área do objetivo no qual se chocam os elétrons do filamento aquecido. O tamanho do filamento espiral e a forma e tamanho do copo de foco do cátodo no qual a espiral está localizada são fatores que afetam a forma e tamanho do ponto focal. Quanto menor as dimensões da corrente de elétrons, menor é a área do objetivo onde eles se chocam (ponto focal real).

O tamanho do ponto focal tem um efeito muito importante na formação da imagem de raios X. Quanto menor o ponto focal, maís nítida é a imagem (outros fatores continuam os mesmos) ; mais um ponto focal grande pode resistir mais ao calor do que um ponto focal pequeno. Assim deve-se encontrar métodos de se obter um ponto focal que forneçã uma imagem bem detalhada e com boa dissipação de calor. Eles são: o emprego do princípio de foco linear e rotação do ânodo.

Princípio de Foco Linear

O principio de foco linear tem o efeito de fazer com que o tamanho do ponto focal real pareça menor quando visto da posição do filme, por causa do ângulo do objetivo com referência à corrente de elétron. Como sugere a forma dos copos de focos e filamentos, a corrente de elétrons está focalizado em um retângulo estreito no objetivo. A face do objetivo é comumente feita a um ângulo de aproximadamente15 a 20 graus com relação ao cátodo (embora em alguns tubos possa ser tão baixo quanto 10 graus). Quando o ponto focal retangular é visto por debaixo, na posição do filme, parece ser mais um pequeno quadrado, o ponto focal efetivo ou aparente. Assim, a área do ponto focal efetiva ou projetada é somente uma fração da área real; e quanto menor o ângulo do objetivo, menor é o ponto focal efetivo, os demais fatores permanecem os mesmos.

Ao denominar o tamanho do ponto focal, os fabricantes usam uma dimensão que é do tamanho do foco efetivo. Quer dizer, um tubo conhecido como 1,0 mm tem um ponto focal nominal projetado de 1 por 1 mm. Na prática, o ponto focal projetado ou efetivo pode variar com respeito ao seu tamanho nominal em até 50 por cento, de acordo com as margens de tolerâncias permitidas pela National Electrical Manufacturers' Association (NEMA) - Associação Nacional de Fabricantes Elétricos. Seu tamanho pode também variar de acordo com as condições de exposição. Por exemplo, o foco tende a "expandir" ou aumentar quando o número de elétrons que chegam a cada segundo (corrento do tubo) tornar-se muito grande.

A utilização dos raios X que emergem a partir do ângulo menor melhora a definição radiográfica, ao mesmo tempo que aumenta a capacidade de dissipar calor do ânodo uma vez que a corrente de elétrons se espalha por uma superfícia maior. Entretanto, há um limite prático para o ângulo do ânodo. Se for muito pequeno, pode causar um excessivo declínio de intensidade no lado anódico do feixe, acentuando, desta forma, o efeito talão.Também na medida em que o ângulo do ânodo diminue, o campo coberto pelo feixe de raios X também diminue em tamanho.

Até o momento nós descrevemos um tupo de ânodo fixo. Por causa da limitada dissipação de calor e do tamanho do ponto focal associado com o ânodo fixo, seu uso se restringe a aparelhos portáteis para radiografia médica e aparelhos para raios X dental.

Ânodo Giratório

O tubo de ânodo giratório foi desenvolvido para aumentar ainda mais a capacidade do ânodo de resistir ao calor. Como o nome já diz, o ânodo em forma de disco, composto de tungstênio, molibdênio, ou algumas vezes de grafite ao qual se uni a uma liga de rênio e tungstênio, gira sobre um eixo colocado dentro do tubo. O filamento é posicionado de maneira a dirigir a corrente de elétron contra a área enviesada do disco de tungstênio. Assim, a posição do ponto focal ( a área do objetivo atingida pelos elétrons) permanece fixa no espaço enquanto que o disco de anódio gira rapidamente durante a exposição, fornecento uma superfície continuadamente fria para a recepção da corrente de elétron. Desta forma o calor é distribuido sobre uma área larga circular ou pista focal, e, para as mesmas condições de exposição, pode-se fazer uma área de ponto focal um sexto menor do que os tubos de ânodo fixo.

A capacidade calorífica do ânodo e a intensidade da corrente de elétrons que ele pode acomodar pode ser aumentada através do aumento do diâmetro do disco giratório. Isto permite que o calor resultante do impacto do elétron posse ser distribuido sobre uma área maior.

O eixo no qual o disco do ânodo está montado é comumente de molibdênio. O molibdênio é resistente, tem um ponto de fusão alto, e baixo condutibilidade térmica que reduz o fluxo de calor do ânodo para o rotor e seus suportes. A tecnologia atual permite ao ânodo ser operado continuadamente em temperaturas acima de 1200ºC, e nestas temperaturas a maioria do calor é transferido por radiação (em vez condução) ao óleo depositado ao redor do tubo e do alojamento do tubo. Para tubos desegnados a trabalhos pesados, tais como os usados em angiografia e tomografia computadorizada, o óleo do alojamento do tubo é muitas vezes circulado através de um permutador de calor.

A maioria dos tubos contém dois filamentos separados, cada um com o seu próprio copo de foco separados, que fornece pontos focais de tamanhos diferentes e capacidade para acomodas uma variedade de técnicas e exames.

Há um crescente interesse em tubos com pontos focais pequenos (diâmetros nominais de aproximadamente 0,1 mm) para uso em radiografia de amplificação. Alguns destes tubos usam ânodos fixos com grande ângulo de objetivo (de até 45 graus); mas por razões anteriormente mencionadas, sua carga instantânea de calor é limitada.

Os fabricantes fornecem tabelas com todos os tipos de tubos de raios X para indicar os limites de funcionamento sem perigo, a quilovoltagem máxima, a miliamperagem, e o tempo que pode ser usado sem perigo para cada exposição. Existem também tabelas de resfriamento de tubos que indicam quando a exposição poder ser repitida. Os tubos devem ser usados dentro dos limites de seus capacidades.

Funcionamento do Tubo de Raios X

O equipamento elétrico necessário para o funcionamento do tubo de Raios X consiste de uma variedade de componentes básicos tais como transformadores para produzir alta voltagem, retificadores para manter a polaridade do ânodo (+) e cátodo (-), fornecedores de força e controles para o filamento, cronometros e dispositivos protetores (por exemplo, proteção contra radiação e travamentos térmicos).

Os circuitos do tubo de raios X, do retificador e do transformador de alta voltagem estão posicionados de maneira que grande quantidade de voltagem positiva seja aplicada no extremo anódico do tubo; e grande quantidade de voltagem negativa seja aplicada no extremo catódico. Os elétrons do filamento quente do cátodo são carregados negativamente e são rejeitados pelo cátodo e atraido ao ânodo positivamente carregado. Como resultado os elétrons aceleram a enormes velocidades e chocam-se contra o ânodo com muita força. A alta voltagem é representada em quilovolts,abreviada kV (1 quilovolt = 1.000 volts).

A quilovoltagem controla a velocidade do fluxo dos elétrons do cátodo ao ânodo. Quando maior for a quilovoltagem, mais rapidamente os elétrons se movimentam e mais energético e penetrante é o feixe de raios x que eles produzem.

Forma de Onda de Voltagem

Por tudo o que foi dito sobre a quilovoltagem aplicada ao tubo de raio X, a velocidade dos elétrons e as energias de raio X produzidas, assume-se que se usa uma voltagem constante e que, desta forma, todos os elétrons envolvidos em uma exposição têm a mesmo velocidade quando eles atingem o ponto focal. Na realidade não é assim por vários motivos, principalmente o fato de que para as unidades médicas de raios X, a voltagem aplicada ao tubo muda constantemente com o tempo.

Nos Estados Unidos quase toda a ener gia elétrica é fornecida na forma de 60 hertz (60 cilcos por segundo) de corrente alternada (ac). Isto significa que a direção do fluxo (corrente) do elétrons se reverte 60 vezes por segundo.

Normalmente, a volagem fornecida a um gerador de raio X tem um valor máximo de aproximadamente 220 volts. Através de transformadores esta voltagem é elevada ou "acelerada" para fornecer as altas voltagens necessárias para a produção de raio X. Ao mesmo tempo, a direção do fluxo da corrente é controlada por dispositivos denominados retificadores de maneira que o fluxo do elétrons através do tubo de raio X seja sempre do cátodo para o ânodo. Desta forma a voltagem fornecida ao tubo de raiox X tem sempre a mesma direção ou polaridade. Isto é o mesmo que tirar a depressão entre duas ondas abaixo da linha e inverte-las de forma a aparecerem como cristas acima da linha. Assim , o tubo de raio X recebe uma série de impulsos ou pulsos de voltagens, cada um com uma duração de 1/120 segundo, e desta maneira, produz os raios X em pulsos. A energia aplicada aos elétrons em viagem em direção ao ânodo, sem dúvida, muda com a voltagem aplicada de maneira que somente alguns elétrons alcançam a energia máxima disponível, isto associado com o máximo da kilovoltagem de onda (kVp). Como resultado, o feixe de raio X criado por estes elétrons contém radiação de comprimento de ondas diferentes e somente parte desta radiação X é energética o bastante para ser utilizada na produção de uma imagem radiográfica.

Geradores Trifásicos

A forma de onde que descrevemos, na qual há dois impulsos por ciclo vem de linhas de força elétrica monofásica. Outras formas de onda podem ser produzidas pelo uso de linhas de força trifásicas. Um circuito trifásico poder ser imaginado como três circuitos monofásicos combinados para fornecer três ondas intercaladas em um único circuito. Há dois tipos de geradores de raios X que utilizam energia elétrica trifásica. Um tipo produz seis impulsos por ciclo (1/60 segundo) ; o outro produz doze impulsos por ciclo. Conforme se produz mais destes impultos intercalados em um intervalo de 1/60 segundo, mais próximos são os picos de suas formas de ondas individuais, assim o seu contorna dá uma aparência de pequenas ondulações em vez de grandes ondas. Além do mais, assem que a voltagem de um pulso começa a cair, aquela do pulso intercalado próximo começa a subir de forma que esta combinação de esforço previne a voltagem cais a zero como acontece em um gerador monofásico. De fato, o nível mínimo alcançado pela kilovoltagem de um gerador trifásico, de seis impulsos-por-ciclo é de somente mais ou menos 13 por cento abaixo do valor do pico. Para um gerador de doze impulsos, o kV mínimo é de aproximadamente 3 por cento menor que o valor do pico.

De tudo isto, pode-se ver que o feixe de raio X produzido por um gerador trifásico difere daquele produzido por um gerador monofásico nas seguintes maneiras:

1. A energia média de raios X produzida por um gerador trifásico é maior do que a produzida por um gerador monofásico com a mesmo quilovoltagem. Por exemplo, para uma instalação de 100 kV, a kilovoltagem média fornecida ao tubo por um gerador monofásico é de aproximadamente 64 kV; para um gerador trifásocp de seis impulsos, mais ou menos 96 kV; e para um gerador de doze impulsos, aproximadamente 99 kV, somente 1 kV abaixo do valor do pico. Isto significa que um feixe de raios X produzido por um gerador trifásico é mais energético e penetrante do que um produzido por gerador monofásico, todos os outros fatores permanecem o mesmo.

2. A intensidade de raios X produzido por um gerador trifásico é maior do que a produzida por um gerador monofásico com a mesma quilovoltagem e miliamperagem. Por exemplo, usando as mesmas técnicas, um gerador trifásico de seis impultos requer em tempo de exposição de mais ou menos um terço do requerido por um gerador monofásico para produzir o mesmo escurecimento no filme. Para um gerador de doze impultos é necessário metade do tempo de exposição de um gerador monofásico.

3. A carga de calor no ânodo para a produção do mesmo tipo de escurecimento no filme é menor para um gerador trifásico do que para um gerador monofásico. Este fato é de especial interesse em angiografia onde, uma vez que em dada quilovoltagem, pode-se fazer aproximadamente duas vezes mais exposições com um gerador trifásico de doze pulsos do que com um gerador monofásico antes de se alcançar o limite de tolerância de calor.

Miliamperagem

O número de elétrons é controlado pela temperatura (grau de incandescimento) do filamento do cátodo. O controle é feito através do ajuste da corrente do filamento com seu próprio circuito elétrico de baixa voltagem. Quanto mais quente for o filamento, maior o número de elétrons disponível para formar a corrente de elétron; quer dizer, a corrente do tubo do raio X. No tubo de raio X, o número de elétrons por segundo é medido por miliamperes, abreviado mA (1 miliâmpere = 1/1.000 âmperes). a intensidade de raios X produzida a uma certa quilovoltagem depende deste número. Por exemplo, se o número de elétrons por segundo dobra, a corrente (miliâmperagem) também dobra, e por sua vez a intensidade de raios X também dobra. Ajustar a máquina de raios X a uma miliâmperagem específica significa, na verdade ajustar a temperatura do filamento para produzir a corrente (miliâmperagem) indicada.

[bibliografia] [imagenologia] [legislação] 

[links] [principal]  [raios x]

This page hosted by Get your own Free Homepage