Interação da radiação com a matéria no radiodiagnóstico– Parte 2

Interações de Elétrons

A interação e a transferência de energia dos fótons para o tecido tem duas fases. A primeira é a interação primária entre o fóton e o elétron, no qual toda energia do fóton ou parte significativa dela é transferida; a segunda é a energia transferida de um életron primário à medida em que ele se move através do tecido. Isso ocorre devido a uma série de interações, em cada uma das quais o elétron transfere uma quantidade relativamente pequena de energia.

Vários tipos de transições radioativas produzem radiação eletrônica, incluindo a radiação beta, a conversão interna (CI) de elétrons e os elétrons Auger. Esses elétrons interagem com a matéria (tecido) de maneira similiar àquela dos elétrons produzidos pela interação dos fótons. Na interação fotoelétrica, a energia dos elétrons é igual à energia do fóton incidente menos a energia de ligação do elétron no átomo. Nas interações Compton, a relação de energia do elétron para o fóton depende do ângulo de espalhamento do fóton original. Os elétrons liberados nessas interações tem energias cinéticas que vão desde valores relativamente baixos até valores ligeiramente abaixo da energia do fóton incidente.

À medida que os elétrons deixam o local da interação, começam imediatamente a transferir suas energias para o material circundante, como mostrado na figura 1. Como o elétron carrega uma carga elétrica, ele pode interagir com outros elétrons sem tocá-los. Ao passar através do material, o elétron, com efeito, empurra os outros elétrons para longe do caminho dele. Se a energia recebida por um elétron for suficiente para removê-lo do átomo, resulta uma ionização. Em alguns casos, estruturas atômicas ou moleculares são elevadas a um nível de energia maior, ou estado excitado. Independentemente do tipo de interação, o elétron em movimento perde alguma energia. A maioria da ionização produzida por radiação X e gama não é resultado direto das interações dos fótons, mas sim da interação da energia dos elétrons liberados com a matéria. Por exemplo, no ar, a radiação deve gastar, em média, a energia de 33,4 eV por ionização. Considere um fóton de raio X com 50 keV, submetido a uma interação fotoelétrica. A interação inicial do fóton ioniza um átomo, resultando em um elétron energético que ioniza aproximadamente 1.500 átomos adicionais.

Figura 1 - Ionização Produzida pelo deslocamento de um elétron energético.

Alcance do elétron

A distância total que um elétron atravessa um material em linha reta antes de perder toda a energia, é geralmente referido como seu alcance. Os dois fatores que determinam o alcance da fase são (1) a energia inicial dos elétrons e (2) a densidade do material. Uma característica importante da interação de elétrons é que todo elétron de uma dada energia tem o mesmo alcance em um material especifico, assim como ilustrado (figura 2).

Figura 2 - O alcance na matéria de elétrons com a mesma energia inicial.

No geral, a área de abrangência de radiações eletrônicas em tecidos é uma fração de milímetro. Isso significa que essencialmente toda a energia do elétron é absorvida no corpo muito perto do local, que foi irradiado. A relação geral entre o alcance e a energia dos elétrons é mostrada na figura 3. A curva representa o alcance para um material de densidade 1 g/cm³, que corresponde à densidade da água e, aproximadamente, do tecido muscular.

Figura 3 - Curva de alcance-energia para elétrons em um meio com densidade 1 g/cm³.

Transferência Linear de Energia

À distância na qual o elétron transfere energia para o material é conhecida como a transferência linear de energia (LET), expressa em termos da quantidade de energia transferida por unidade de distância percorrida. Tipicamente a unidade utilizada é kiloelétron-volts por micrometro (keV/μm). No material dado, como um tecido, o valor da transferência linear de energia depende da energia cinética (velocidade) do elétron. A LET é geralmente inversamente proporcional à velocidade do elétron. À medida que o elétron perde energia, diminui sua velocidade, e o valor da LET aumenta até que toda sua energia é dissipada. Valores da LET em um tecido mole, para diversas energias do elétron, são fornecidos ma Tabela 1.

Tabela 1 - Energia do Elétron vs. Transferência Linear de Energia

Energia do Elétron (keV)	LET (keV / mm)
1000	0,2
100	0,3
10	2,2
1	12,0

A efetividade de uma radiação particular na produção de danos biológicos é freqüentemente relacionada à LET da radiação. A relação real entre a eficiência em produção danos e os valores de LET depende do efeito biológico a ser considerado. Para a ocorrência de alguns efeitos biológicos, há um valor de LET que produz uma condição favorável de concentração de energia dentro do tecido. Radiações com valores baixos de LET não produzem uma concentração adequada de energia. Radiações com valores altos de LET tendem a depositar mais energia do que a necessária para produzir o efeito. Isso tende a desperdiçar energia e reduzir a eficiência.

Interações de Pósitrons

Como se sabe, o pósitron tem a mesma dimensão e massa do elétron, mas com carga positiva, integrando o que é referido como anti-matéria. A interação entre o pósitron e a matéria é definida em duas fases (figura 4): a ionização e a aniquilação. Quando um pósitron de alta energia passa através da matéria, interage com os elétrons atômicos pela atração elétrica. À medida que o pósitron se move, atrai elétrons para fora do átomo, produzindo ionização. Uma pequena quantidade de energia é perdida em cada interação do pósitron. Em geral, essa fase da interação não é muito diferente da interação de um elétron energético, porém o pósitron atrai elétrons enquanto se desloca enquanto os elétrons repelem elétrons atômicos para longe de sua trajetória. Além disso, quando o pósitron já perdeu a maior parte de sua energia cinética e está quase atingindo o repouso, ele entra em contato próximo com um elétron e então sofre uma interação de aniquilação.

Figura 4 - Uma interação do Pósitron que produz radiação de aniquilação.

O processo de aniquilação ocorre quando a anti-matéria do pósitron combina-se com a matéria convencional do elétron. Nessa interação, as massas de ambas as partículas são convertidas completamente em energia. A relação entre a quantidade de energia e a massa é dada por:

E = mc² .

A energia equivalente à massa de um elétron ou pósitron é 511 keV. A energia que resulta do processo de aniquilação é emitida do local de interação na forma de dois fótons, com energia de 511 keV, que deixam o local em direções opostas. Com equipamentos especiais de imagem é possível capturar ambos os fótons e determinar a localização tridimensional precisa do local de interação. Desde que o alcance do pósitron, assim como o do elétron, é relativamente curto, o local da interação de aniquilação é sempre próximo da localização do núcleo radioativo emissor da partícula ou da interação de radiação que a produziu.

Referência

Texto e ilustrações adaptados do site,

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