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DISCIPLINA: PROTEÇÃO RADIOLÓGICA AULA 7 – GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO Profa. Danielle Filipov 2013 ORGANIZAÇÃO DA AULA • GRANDEZAS FÍSICAS • GRANDEZAS DE PROTEÇÃO • GRANDEZAS OPERACIONAIS GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Os raios X foram descobertos por Roentgen em 1895 e a radioatividade por Becquerel em 1896. • Iniciou-se, assim, o uso desenfreado das radiações ionizantes. • Haviam sido criadas fábricas de tubos de raios X sem nenhum controle, em garagens ou no fundo de quintais. • Não demorou muito para que pesquisadores percebessem que estavam diante de um agente extremamente potente, com grandes aplicações, mas que também poderia causar grandes danos à saúde. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Entretanto, decorreram 30 anos desde a descoberta dos raios X até a tomada da decisão para se criar uma comissão que tratasse das questões relativas às radiações ionizantes: desenvolvimento de equipamentos, protocolos para medir níveis de radiação e cuidados ao se trabalhar com ela. • A primeira comissão internacional a ser criada foi a “International Commission on Radiation Units and Measurements” (ICRU), em 1925, em Londres. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • A demanda para a criação dessa comissão partiu da comunidade médica da área de radiologia. • Como o próprio nome diz, ela tinha por finalidade estabelecer grandezas e unidades de Física das Radiações, critérios de medida e efetuar sua divulgação. • Isso possibilitaria a comparação entre medidas feitas em diferentes laboratórios, clínicas e institutos de pesquisa, usando os mais variados equipamento. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Três anos depois, em 1928, uma segunda comissão internacional foi criada no Segundo Congresso Internacional de Radiologia, em Estocolmo, a “International Commission on Radiological Protection” (ICRP). • Essa comissão nasceu com a incumbência de elaborar normas de proteção radiológica e estabelecer limites de exposição à radiação a indivíduos ocupacionalmente expostos. • Ambas as comissões, ICRU e ICRP, reúnem-se regularmente, ainda hoje e publicam normas novas ou atualizam as já existentes. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • As grandezas de Física das Radiações estão separadas em três principais categorias: grandezas físicas, grandezas de proteção e grandezas operacionais. • As duas últimas são empregadas, exclusivamente, para fins de proteção radiológica. – Grandezas de proteção: grandezas dosimétricas especificadas no corpo humano e foram introduzidas para o estabelecimento de limites de exposição à radiação, mas não podem ser medidas por nenhum equipamento. – Como saber se um profissional, que foi exposto à radiação, está dentro dos limites de exposição? • Para isso existem as grandezas operacionais. – Grandezas operacionais: são empregadas para monitoração de área e individual e podem ser usadas para se estimar o limite dos valores das grandezas de proteção nos tecidos ou órgão ou no corpo como um todo exposto à radiação externamente. – Elas estão correlacionadas com as respostas de instrumentos e de dosímetros, usados na monitoração. – Entretanto, essas grandezas não foram definidas para o caso de dosimetria interna (caso de um indivíduo ingerir um radionuclídeo), onde outros métodos são aplicados. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Para se relacionar as grandezas de proteção, com as operacionais, e ambas com as físicas, foram criados coeficientes de conversão, calculados pelo ICRU-57 de 1997. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO Grandeza Física: Dose Absorvida Grandezas de Proteção: Dose Absorvida no meio Dose Equivalente Dose Efetiva wr ou wt Grandeza Operacional: Equivalente de Dose Q = wr • GRANDEZAS FÍSICAS: Exposição, Atividade, Dose Absorvida e Kerma. – EXPOSIÇÃO (X): primeira grande grandeza relacionada à radiação, foi introduzida em 1928 no Segundo Congresso Internacional de Radiologia. – Ela é definida pela letra “X”, pois está relacionada somente para fótons (RX ou gama) interagindo com o ar. – É uma medida da capacidade de um fóton ionizar o ar, uma vez que ela verifica a quantidade de carga elétrica (de mesmo sinal) produzida em uma determinada massa de ar percorrida pela radiação. – Essa carga elétrica verificada é resultados das partículas carregadas emitidas pelos processo de interação dos fótons com a matéria (EC, EF, e PP). GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – A definição de exposição é dada por: X = Q / m – Onde, Q é o valor absoluto da carga total de íons de mesmo sinal, produzidos no ar, quando todos os elétrons e pósitrons liberados ou criados por fótons, num elemento de volume de ar com massa m, forem freados no ar. – Pósitrons e elétrons liberados no volume de interesse podem sair dele e depositar energia fora do volume; mas, ainda assim devem ser contabilizados em Q. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – O ar foi o meio escolhido como padrão, porque: • É muito mais fácil coletar íons produzidos em gases do que em meios líquidos ou sólidos. • Há correspondência de usar o ar como gás em uma câmara de ionização (um tipo de detector). • O ar pode ser considerado equivalente à água e ao tecido mole em termos de absorção de energia da radiação, porque os números atômicos efetivos do ar, da água, do tecido mole e do músculo são, respectivamente, 7,64; 7,42; 7,22 e 7,46. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – Na época em que foi estudada a exposição, a unidade aplicada era o Roentgen (R), mas no SI a unidade é C/kg (de ar), de modo que: 1 R = 2,58 x 10-4 C/kgar – Podemos, também, calcular a quantidade de íons formados em um volume de ar; basta usarmos a fórmula: N = carga de íons / carga do elétron – Onde, a carga do elétron é, sempre, igual a 1,6 x 10-19 C GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – A grandeza exposição (X) só é definida para os raios X e gama e para o ar. Além disso, ela é indefinida para feixes de fótons com energias acima de 3 MeV, em razão das limitações técnicas de detecção de todas as cargas produzidas, e o alcance dos elétrons produzidos com essa energia é de 1,26 m. – Ao relacionarmos a exposição a uma unidade de tempo, teremos uma taxa de exposição. – Por exemplo: a radiação de fundo de um local tem uma taxa de exposição de 0,03 mR / h. Ou seja, em 1 hora, o local é exposto a 0,03 mR. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Exemplo 1: Um volume de ar, de 1 kg de massa, foi ionizado pela passagem de fótons de raios X. Verificou-se uma quantidade de 4,5 x 1012 íons produzidos por essa ionização. Qual a exposição (em R) a esse volume? GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – ATIVIDADE (A): referência a um elemento radioativo. – Se refere ao número de desintegrações (decaimentos radioativos) por unidade de tempo. A = N / t – Onde, N é a quantidade de desintegrações de um radionuclídeo. – A unidade de atividade, no SI, é o Becquerel (Bq), que equivale a 1 desintegração/segundo. – Mas, a unidade comumente utilizada é o Curie (Ci). – Relação entre as duas unidades: 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq • Exemplo 2: Um radionuclídeo realiza 14,8 x 108 desintegrações em 20 segundos. Qual a atividade desse radionuclídeo, em Ci? GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – RELAÇÃO ENTRE “A” E “X”: a exposição devida a raios gama emitidos por uma fonte radioativa de atividade conhecida, pode ser dada por: X = Γ . A . t / d2 – Onde, X é a exposição (em R), A é a atividade de um radionuclídeo (em Ci), t é o tempo de exposição (em h), d é a distância entre o radionuclídeo (em m) e o medidor (em m) e Γ é a constante de taxa de exposição, característico de cada radionuclídeo (em R.m2/h.Ci). GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Exemplo 3: • Um técnico entrou numa sala de irradiação e não percebeu uma fonte de Cs-137. Essa fonte estava com atividade de 0,3 Ci e, foi estimado que, o técnico permaneceu a 150 cm dela durante 2 minutos. Qual a exposição na entrada da pele do corpo do técnico? GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – DOSE ABSORVIDA (D): a grandeza física mais importante na radiobiologia, radiologia e proteção radiológica é a dose absorvida (D), a qual se relaciona com a energia da radiação absorvida. – Ela é definida como: D = Eab / m – Onde, Eab é a energia média depositada pela radiação em um volume elementar de massa m. – Ela foi introduzida em 1950 para ser usada, principalmente, em radioterapia para o tratamento de tumores. – Precisava-se saber a quantidade de energia a ser fornecida ao tumor para matar as células malignas. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – Originalmente, sua unidade era o rad, mas a unidade no SI é o J/kg, sendo que a relação entre elas é dada por: 1 J/kg = 100 rad – Essa grandeza, ao contrário da exposição: • Vale para qualquer meio. • Vale para qualquer tipo de radiação. • Vale para qualquer geometria de irradiação. – A partir de 1975, foi recomendada a substituição dessa unidade pelo gray (Gy), no sistema internacional (SI), onde: 1 Gy = 1 J/kg = 100 rad GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – Relação entre dose absorvida no ar e exposição: – Quando fótons interagem com a matéria, partículas carregadas são liberadas no meio, e essas interagirão com outros átomos através de colisões, depositando energia nesses átomos. – A dose entregue ao meio por essas partículas é dada por: D ar = W N / 1 kg ar – Onde, W é a energia média para formar uma ionização no ar (para elétrons e fótons, essa energia é de 54,35 x 10-19 J), e N é o número de íons produzidos no volume de ar com massa de 1 kg. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – Se a irradiação é com fótons que produzem uma exposição de 1 R, N = 1,6 x 1015 íons. – Substituindo na equação da dose, temos: D = W N / 1 kg = 54,35 x 10-19 x 1,6 x 1015 / 1 kg D = 0,008764 J/kg = 0,008764 Gy = 8,764 mGy – Assim, uma exposição de 1R no ar equivale a uma deposição de uma dose de 8,764 mGy no ar: 1 R = 8,764 mGy – Para outras exposições, basta fazer: D ar (mGy) = 8,764 . X (R) GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Exemplo 4: • Um técnico entrou numa sala de irradiação e não percebeu uma fonte de Na-24. Essa fonte estava com atividade de 0,5 Ci e, foi estimado que, o técnico permaneceu a 0,5 m dela durante 20 minutos. Calcule: • A) A exposição na entrada da pele do técnico. • B) A dose absorvida no ar na entrada da pele do corpo do técnico. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – Podemos, também, determinar a dose absorvida em um meio material a partir da dose absorvida no ar. – Basta empregar um fator de conversão, chamado de fator “fm”: D meio = D ar x fm GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Tabela do fator f para alguns meios, em função da energia do fóton. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO Energia do Fóton f (água) f (músculo) f (gordura) f (osso) 10 keV ou 0,01 MeV 1,04 1,05 0,62 5,65 30 keV ou 0,03 MeV 1,01 1,05 0,62 6,96 50 keV ou 0,05 MeV 1,03 1,06 0,75 5,70 100 keV ou 0,1 MeV 1,10 1,09 1,05 1,97 200 keV ou 0,2 MeV 1,11 1,10 1,11 1,12 600 keV ou 0,6 MeV 1,11 1,10 1,11 1,03 1250 keV ou 1,25 MeV 1,11 1,10 1,11 1,03 • Exemplo 5: • A radiação gama emitida por uma fonte de Co- 57, com atividade de 5 kCi, é usada para irradiar um tumor na superfície do paciente durante 2 minutos, posicionando-o a 100 cm da fonte. Sendo a energia média do raio gama emitido pelo Co-60 igual a 1,25 MeV, qual a dose absorvida pelo tumor? Considere o tumor como um músculo. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – KERMA (K): é uma grandeza com a mesma unidade que a dose absorvida (Gy). Kerma significa Kinetic Energy Released per Unit of Mass (Energia Cinética Transferida a uma Certa Massa). – É representada pelo quociente: K = Etr / m – Onde, Etr é a energia transferida ao meio (soma das energias cinéticas de todas as partículas carregadas liberadas a partir das interações dos fótons com o meio – Compton, Fotoelétrico ou Produção de Pares). – Essas partículas carregadas, liberadas por uma dessas formas de interação, vão transferir energia ao meio através de colisões, ionizações ou excitações. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – O kerma refere-se à energia que é transferida ao meio no ponto de interação (ou seja, quando o fóton incidir na matéria). – Muitas vezes, ele é confundido com dose absorvida, devido ao fato das duas grandezas terem a mesma unidade. – Mas, o kerma se refere à energia do fóton que foi transferida ao meio no momento da interação, enquanto que a dose se refere à energia que foi absorvida pelo meio, a partir da liberação de partículas carregadas. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – O kerma é válido para fótons e para qualquer meio, e podemos relacioná-lo com a exposição da mesma forma que a dose absorvida: K ar (mGy) = 8,764 . X (R) – Exemplo 6: Um tecnólogo entrou numa sala de irradiação e não percebeu que uma fonte de Ir-192 estava exposta. Essa fonte possuía atividade de 32 Ci, e foi estimado que o tecnólogo permaneceu a 3,7 m da fonte durante 9 minutos. Avalie o valor do kerma no ar. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • GRANDEZAS DE PROTEÇÃO: dose equivalente no tecido ou órgão e a dose efetiva. • Elas são usadas para limitar a dose no tecido ou órgão (no primeiro caso) ou no corpo todo (segundo caso). • Não são medidas, mas podem ser calculadas. • As unidades de ambas é o Sievert (Sv). GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – DOSE EQUIVALENTE NO TECIDO OU ÓRGÃO (Ht): ela é definida para qualquer tipo de radiação e o meio é o tecido ou o órgão em questão. – A unidade original de dose equivalente era o rem, mas no SI a unidade é o Sv ou J/kg, de modo que: 1 Sv = 1 J/kg = 100 rem – Ela é obtida a partir da dose absorvida média D no tecido ou órgão exposto a alguma forma de radiação. – É definida como: Ht = wr . D – Onde, wr é o fator de ponderação da radiação, listado na tabela a seguir. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – Os valores de wr são referentes a cada tipo de radiação e energia representando a efetividade biológica efetiva (RBE) da radiação em induzir efeitos estocásticos (câncer ou hereditários). – Essa grandeza é válida para limitar a exposição do cristalino, da pele, das mãos e dos pés, e também serve para o cálculo da dose efetiva. TIPOS DE RADIAÇÃO wr (ICRP-2007) Fótons de todas as energias 1 Elétrons de todas as energias 1 Prótons 2 Partículas Alfa 20 GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – A dose absorvida se refere à energia transferida a um ponto qualquer da matéria. – Entretanto, para a dose equivalente, precisamos saber da energia transferida a um órgão como um todo. – Logo, definimos a dose absorvida média no órgão ou tecido como: D = Eórg / m – Onde, Eórg é a energia total transferida a um órgão ou tecido de massa m. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Exemplo 7: • A radiação gama emitida por uma fonte de Co-60, com atividade de 500 mCi, é usada para irradiar um tumor na superfície do paciente durante 5 minutos, posicionando- o a 100 cm da fonte. Sendo a energia média do raio gama emitido pelo Co-60 igual a 1,25 MeV, responda: • A) Qual a dose absorvida pelo tumor? Considere como músculo. • B) Qual a dose equivalente recebida pela superfície do paciente? • C) Esta dose ultrapassa o limite recomendado? GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – DOSE EFETIVA (E): serve para estabelecer limites de exposição do corpo todo à radiação, a fim de limitar a ocorrência de efeitos cancerígenos e hereditários. – É a soma das doses equivalentes nos tecidos ou órgãos (H) multiplicada pelo fator de ponderação de um tecido ou órgão wt, e a sua unidade, também, é o Sievert (Sv). – É definida como: E = Σ wt . Ht – Os fatores de ponderação wt de um tecido ou órgão estão listados na tabela a seguir e estão relacionados com a sensibilidade um dado tecido ou órgão à radiação, no que se refere à indução de câncer e efeitos hereditários. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO TECIDO OU ÓRGÃO Wt (ICRP-103 DE 2007) Gônadas 0,08 Medula Óssea 0,12 Cólon 0,12 Pulmão 0,12 Estômago 0,12 Mama 0,12 Bexiga 0,04 Esôfago 0,04 Fígado 0,04 Tireoide 0,04 Superfície do Osso 0,01 Cérebro 0,01 Glândulas Salivares 0,01 Pele 0,01 Restante (Suprarrenais, Intestinos G e D, rins, músculo, pâncreas, baço, timo e útero) 0,12 Soma Total 1,00 GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO Wt 1 Wt 2 Wt 3 E = (Ht . Wt1) + (Ht . Wt2) + (Ht . Wt3) GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO APLICAÇÃO DOSE LIMITE OCUPACIONAL DOSE EFETIVA 20 mSv por ano (média definida pelas doses nos últimos 5 anos) 50 mSv em um único ano DOSE EQUIVALENTE ANUAL EM: CRISTALINO 150 mSv PELE 500 mSv EXTREMIDADES (MÃOS E PÉS) 500 mSv GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Exemplo 8: • Suponha que uma pessoa seja exposta, a um campo homogêneo de raios X com uma exposição total de 19 R, responda (unidades do SI): • A) Qual o valor da dose absorvida? • B) Qual o valor da dose equivalente? • C) Qual o valor da dose efetiva? (irradiação do corpo inteiro wT = 1) • D) Qual o valor da dose efetiva, caso somente as gônadas fossem expostas? GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • GRANDEZAS OPERACIONAIS: existem as recomendações internacionais e nacionais de limitação de dose de radiação, e as pessoas ocupacionalmente expostas devem obedecer a essa limitação. • As grandezas utilizadas na limitação, porém, não são mensuráveis. • Como é possível saber, então, se uma pessoa exposta ocupacionalmente à radiação está obedecendo às recomendações? • Para correlacionar essas grandezas ao campo de radiação o ICRU e o ICRP introduziram as grandezas operacionais para medidas de exposição à radiação externa. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • A principal grandeza introduzida é o equivalente de dose pessoal (Hp = Q . D), a uma certa profundidade para os casos de irradiação com fontes externas ao corpo. • Para fótons acima de 20 keV, adota-se a profundidade de 10 mm e o valor obtido pode ser usado como estimativa da dose efetiva. • Para fótons com energia abaixo de 20 keV (pouco penetrantes), adota-se a profundidade de 0,07 mm e o valor obtido pode ser usado pra estimar a dose equivalente na pele e extremidades. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Hp é usado, em último caso, para avaliar a exposição ocupacional quando as pessoas que estão num dado ambiente não utilizam monitores individuais (ex.: pilotos e comissários de bordo). • Teoricamente, essas grandezas são correlacionadas com as grandezas de proteção. • A unidade dessas grandezas, também, é o Sv. • Essas grandezas operacionais utilizam fatores de qualidade da radiação Q como fator de peso. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Esses fatores de qualidade da radiação são dados em função da transferência linear de energia (LET), uma vez que o LET depende do tipo de radiação e de sua energia. • Para feixes aos quais estamos potencialmente mais expostos (RX, gama e elétrons), o fator de qualidade Q é 1, o que faz com que a dose absorvida D (Gy) e o equivalente de dose H (Sv) tenham o mesmo valor numérico. • Por exemplo: uma dose absorvida de 1 mGy corresponde a um equivalente de dose de 1 mSv. 4 Gy correspondem a 4 Sv, e assim por diante (quando a radiação for de fótons ou elétrons). GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO • Na prática, para avaliar os potenciais efeitos biológicos, usam-se para Q os mesmos valores de wr. • Assim, uma dose absorvida de 1 mGy, no casso de irradiação por partículas alfa, equivale a um equivalente de dose de 20 mSv. TIPOS DE RADIAÇÃO wr (ICRP-2007) Fótons de todas as energias 1 Elétrons de todas as energias 1 Prótons 2 Partículas Alfa 20 GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – EQUIVALENTE DE DOSE PESSOAL (Hp): é uma grandeza operacional para monitoração individual externa (radiação que incide num indivíduo de fora para dentro). – A grandeza Hp é obtida pelo produto da dose absorvida (em um determinado ponto), em uma certa profundidade, pelo fator de qualidade Q da radiação (Hp = Q . D). – O valor de Hp é obtido por meio do monitor individual que o indivíduo ocupacionalmente exposto (trabalhador) utiliza no local do corpo, geralmente o tórax. GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO – Na rotina, a dose é acumulada durante um mês para, em seguida, haver o processamento do dosímetro. – O valor obtido deve fornecer uma estimativa conservadora da dose efetiva. – Para a verificação do cumprimento das recomendações, em relação aos limites de dose efetiva E, deve-se medir o Hp a 10 mm e para a dose equivalente no cristalino, na pele e nas extremidades o Hp deve ser verificado a 0,07 mm. • Exemplo 9: Uma pesquisadora ingeriu, acidentalmente, uma solução contendo Po-210, que é uma fonte emissora de partículas alfa com energia de 5,3 MeV. Essa fonte entregou uma dose de 5,56 x 10-5 Gy no corpo da pesquisadora. Responda: • A) Qual o equivalente de dose? • B) Se ela tivesse ingerido uma fonte de partículas beta (como o S-35, por exemplo), que tivesse entregue a mesma dose ao corpo, qual teria sido o equivalente de dose? • C) Comparando os dois valores calculados, como são os potenciais efeitos biológicos produzidos pelos 2 elementos radioativos mencionados? GRANDEZAS DE RADIOPROTEÇÃO RESUMINDO Grandeza Equação Meio Tipo de Radiação Unidade SI Unidade Original Conversão Exposição X = dQ / dm ar X e gama C/kg R 1R = 2,58 x 10-4 C/kg Dose Absorvida D = dE / dm qualquer qualquer Gy (J/kg) rad 1 Gy = 100 rad Kerma K = dEtr / dm qualquer X, gama e nêutrons Gy (J/kg) rad 1 Gy = 100 rad Dose Equivalente Ht = wr . D órgão ou tecido qualquer Sv rem 1 Sv = 100 rem Dose Efetiva E = Σ wt . Ht corpo todo qualquer Sv rem 1 Sv = 100 rem Equivalente de Dose Pessoal H = Q . D corpo todo qualquer Sv rem 1 Sv = 100 rem