Interação da radiação com a matéria no radiodiagnóstico - Parte 1

Os fótons de raios X são criados através da interação de elétrons de alta energia com a matéria em nível atômico. Fótons (raio X e gama) terminam sua existência quando transferem energia para os elétrons contidos na matéria. As interações de raios X são importantes em exames diagnósticos por muitas razões. Por exemplo, as interações seletivas dos fótons de raios X com a estrutura do corpo humano produzem a imagem; a interação dos fótons com o receptor converte os raios X ou gama em imagens que podem ser vistas ou gravadas.

Tipos de Interações

Interações de Fótons

Os fótons são unidades individuais de energia. Assim, quando um feixe de raios X ou gama atravessa um objeto, três possíveis destinos aguardam cada um desses fótons, como será mostrado na figura 1, abaixo:

1. Ele pode penetrar uma seção da matéria sem interagir.
2. Ele pode interagir com a matéria e pode ser completamente absorvido, depositando sua energia (Interação fotoelétrica).
3. Ele pode interagir e ser espalhado ou desviado do seu sentido original, tendo parte da sua energia depositada (Interação Compton).

Figura 1 -O fóton, entrando no corpo humano, o atravessará, será absorvido ou produzirá radiação espalhada.

Na faixa de energia do radiodiagnóstico, há dois tipos de interações principais através das quais os fótons depositam a sua energia, ambos envolvendo elétrons. Em um deles, o fóton perde toda a sua energia para o átomo; no outro, perde uma parte dela e a energia restante é espalhada. Essas duas interações são mostradas abaixo na figura 2.

Figura 2 - As duas interações básicas entre fótons e elétrons atômicos.

Interação Fotoelétrica

Na interação fotoelétrica (fóton-elétron), como mostrado acima, um fóton transfere toda a sua energia para um elétron localizado em uma das camadas atômicas mais internas. O elétron é ejetado do átomo por essa energia e começa a se movimentar através da matéria circundante. O elétron rapidamente perde a sua energia e se move uma distância relativamente curta a partir da sua localização original. A energia do fóton, assim, é depositada no material próximo ao local da interação fotoelétrica.

As Interações fotoelétricas normalmente ocorrem com os elétrons que estão firmemente ligados ao átomo, isto é, aqueles que estão com energia de ligação relativamente alta. São mais prováveis quando a energia de ligação do elétron é apenas ligeiramente menor do que a energia do fóton. Se a energia de ligação é maior do que a energia do fóton, a interação fotoelétrica não pode ocorrer. A interação só é possivel quando o fóton tem energia suficiente para superar a energia de ligação e então remover o elétron do átomo.

A energia do fóton é utilizada de duas maneiras na interação. Uma parte da energia é usada para vencer a energia de ligação do elétron e para removê-lo do átomo. A outra, é transferida para os elétrons como energia cinética e é depositada nas proximidades do local da interação. Uma vez que a interação cria uma vaga em uma das camadas, normalmente a K ou a L, um elétron de outra camada mais externa se transfere para ela e a preenche. A energia perdida por esse elétron produz frequentemente um fóton de raio X caracteristico. A energia caracteristica dessa radiação depende da energia de ligação das camadas envolvidas na transição desse elétron. Radiação caracteristica iniciada por um fóton é conhecida como radiação fluorescente. A Fluorescência, em geral, é um processo no qual uma parte da energia do fóton incidente é usada para criar um segundo fóton de menor energia. Esse processo às vezes converte raios X em fótons de luz. Se a radiação fluorescente será luz ou raios X, isto dependerá da energia de ligação das camadas do material absorvedor.

Interação Compton

Em uma interação Compton, só uma porção da energia da radiação incidente é absorvida e o fóton espalhado é produzido com uma energia reduzida. Esse fóton deixa o local da interação em uma direção diferente do fóton original, como mostrado na figura anterior. Devido à mudança de direção do fóton, esse tipo de interação é classificado como processo de espalhamento. No efeito, uma porção da radiação incidente é espalhada pelo material. Isso é significativo em algumas situações, em que o material irradiado torna-se uma fonte de radiação secundária. O mais significativo objeto que produz radiação espalhada, em um procedimento de raio X, é o próprio corpo do paciente. A parte do corpo do paciente que está submetida ao feixe primário de raios X torna-se a verdadeira fonte da radiação espalhada. Isso tem duas consequências indesejáveis: 1°) A radiação espalhada que segue em frente e atinge o receptor diminui a qualidade da imagem (contraste); 2°) A radiação que é espalhada pelo paciente é a fonte predominante de exposição à radiação para os profissionais que realizam o exame.

Segue um aplicativo em português (da universidade federal de sergipe) que simula o efeito Compton.

Figura 3 - Ilustração do aplicativo de simulação do efeito Compton.

Espalhamento Coerente

Há dois tipos de interações que produzem radiação de espalhamento. Um tipo, referido por uma variedade de nomes, incluindo coerente, Thomson, Rayleigh, clássico e elástico, é uma interação de pura dispersão sem deposição de energia no material. Esse tipo de interação é mais provável para fótons de energia baixa, e não é geralmente significativo para a maioria dos procedimentos diagnósticos.

Produção de Pares

Produção de par é uma interação do fóton com a máteria que ocorre nos procedimentos diagnósticos de Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET), e pode ocorrer apenas com fótons de energia superior a 1.022 MeV. Numa interação de produção de pares, o fóton interage com o campo elétrico do núcleo atômico, de modo que sua energia é convertida em matéria. A interação produz um par de partículas, um elétron e um pósitron (carregado positivamente). Essas duas partículas têm a mesma massa, e energia equivalente à massa de repouso de 0.511 MeV.

Referências

Sprawls P.,Physics and Technology of Medical Imaging Online, Sprawls Educational Foundation, disponivel no site

http://www.sprawls.org/ppmi2/INTERACT/