A atenuação do feixe de raios X consiste na diminuição da intensidade da radiação quando esta atravessa a matéria. A redução da intensidade pode ser parcial ou total e é causada pelos processos citados anteriormente de absorção e espalhamento dos fótons incidentes.
Na radiografia diagnóstica, por exemplo, o feixe de raios X atravessa o corpo e sensibiliza o receptor de imagem, comumente um filme radiográfico. A variação da intensidade da radiação que chega ao filme depende da atenuação da radiação pelo corpo.
Fótons monoenergéticos são atenuados exponencialmente ao atravessar o meio, como mostrado na equação 15, que relaciona a intensidade dos fótons incidentes no meio (I0) e a
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x
x
I
e
I
0 (15) ondex é a espessura do material absorvedor; µ é o coeficiente de atenuação linear e
e-µx é a probabilidade do feixe de fótons não sofrer interação ao atravessar um absorvedor de espessura x.
O coeficiente de atenuação linear (µ) leva em consideração as contribuições individuais de cada processo ocorrido durante a interação, como o efeito fotoelétrico, Compton e Produção de pares, e pode ser obtido como a soma dos coeficientes parciais de cada um dos processos:
c (16)
onde
σc – coeficiente de atenuação devido ao espalhamento Compton;
τ – coeficiente de atenuação devido ao efeito fotoelétrico; κ – coeficiente de atenuação devido à produção de pares.
Genericamente, utilizam-se coeficientes de atenuação linear mássico, para que se possa quantificar a atenuação independente da densidade do material:
c (17) onde
é a densidade do material absorvedor.Os principais fatores que interferem na atenuação são a energia e a intensidade do feixe e a composição do material absorvedor (densidade e o numero atômico). Com relação à composição do material absorvedor, absorvedores com número atômicos ou densidades maiores atenuam mais comparados com materiais de menor numero atômico ou densidade. Além da composição do material, a energia do feixe de raios X também interfere na intensidade da radiação transmitida, fator que está relacionado diretamente com os processos de interação.
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As figuras 13 e 14 mostram as relações da intensidade da radiação transmitida com espessura do material, para dois materiais, A e B, e para duas energias de fótons, E1 e E2. Como é possível perceber na figura 13, é necessária menor espessura do material A (Z maior) que do material B (Z menor) para que a intensidade da radiação seja reduzida ao mesmo valor. Já com relação à energia (figura 14), o feixe E2 de menor energia será atenuado mais rapidamente que o feixe E1, mais energético (MCKETTY, 1998).
Figura 13. Efeito do número atômico na atenuação dos raios X (adaptada de MCKETTY, 1998)
Figura 14. Efeito da energia da radiação na atenuação dos raios X (adaptada de MCKETTY, 1998)
Assim como o feixe monoenergético, o feixe polienergético também sofre atenuação, mas de maneira diferente, ao atravessar um meio absorvedor. No feixe polienergético, o espectro é contínuo, e suas energias variam desde a mínima até a sua energia máxima, que depende da voltagem de pico aplicada (kVp) para gerar os raios X. Devido ao espectro
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contínuo e o fato de que a energia é um fator que influencia na atenuação, a intensidade transmitida para o feixe polienergético não obedece à equação 15. Na atenuação dos feixes polienergéticos, fótons de energia mais baixa são atenuados mais rapidamente que os fótons de maior energia. Este fato gera uma variação tanto no número de fótons transmitidos quanto na qualidade do feixe diretamente proporcional a espessura do absorvedor. A figura 15 mostra a curva de relação entre o percentual da radiação transmitida com a espessura do absorvedor, no caso, o alumínio. A curva foi construída numa escala semilogaritmica. Como é possível perceber, à medida que a espessura do absorvedor aumenta, o feixe tende a ficar monoenergético.
Figura 15. Atenuação do feixe polienergético em função da espessura do Al (adaptada de MCKETTY, 1998).
A figura 16 mostra a comparação das curvas da radiação polienergética e monoenérgetica.
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Uma observação relevante no gráfico é a diferença entre a energia do feixe e a tensão de pico. O feixe monoenergético tem a energia efetiva de 100 keV. Já o feixe polienergético possui um espectro contínuo que foi gerado por meio da aplicação de 100 kVp e que tem um valor de energia efetiva que depende também da filtração. Pelas curvas, percebe-se que o fóton monoenergético é mais penetrante comparado com o polienergético. Quando atenuado, o feixe polienergético aumenta sua energia efetiva. Consequentemente, um feixe polienergético filtrado, tem um maior poder de penetração. À medida que o feixe é filtrado, sua energia efetiva se aproxima do espectro monoenergético de energia próxima a sua energia máxima.
A camada semirredutora (CSR), espessura de material capaz de reduzir a intensidade da radiação à metade, descreve a capacidade de penetração do feixe de raios X para diferentes energias e materiais específicos. As CSRs são geralmente medidas em mm de alumínio ou de chumbo, neste caso mais utilizado para tensões de picos maiores do que 120 kV.
O valor da CSR para um feixe de raios X é obtido por meio de medidas de exposição para uma série de atenuadores. Inicialmente, é feita uma medida entre a fonte e o detector, sem atenuador. Sucessivamente, adicionam-se paulatinamente mais espessuras de atenuadores e mede-se o valor da exposição. Determina-se o valor da CSR por meio do gráfico referente à leitura de exposição versus a espessura do atenuador (MCKETTY, 1998).
A partir da relação 15, pode-se determinar o valor da CSR para feixes monoenergéticos: x e I I 0 0 2 (18)
para x = CSR, temos a solução para a equação 18:
693 , 0 CSR (19) Para feixes polienergéticos, há diferença entre a primeira e a segunda CSR, e assim sucessivamente, já que há um aumento da energia efetiva do feixe quando filtrado. Consequentemente, a primeira CSR é menor que a segunda. Então, nestes casos, fala-se em energia efetiva, que baseia-se nos valores da primeira CSR. A energia efetiva varia de 30 a 50% da energia de pico (energia máxima dos fótons). O coeficiente de homogeneidade também é um fator que caracteriza a qualidade da radiação polienergética. Este coeficiente é encontrado pela razão entre a 1ª CSR e a 2ª CSR (equação 20). Consequentemente, este
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coeficiente é menor que 1 (um) e quanto mais próximo de um ele for, mais se aproxima de um feixe monoenergético. CSR CSR CH ª 2 ª 1 (20)
Em radiodiagnóstico, a filtração torna-se um processo relevante, já que os fótons de baixa energia são indesejáveis. Os filtros utilizados são geralmente de alumínio e cobre ou uma combinação de materiais e são colocados na saída do tubo. Com o endurecimento do feixe (aumento a energia efetiva), a dose cedida ao paciente é reduzida, há um aumento na qualidade da imagem, um aumento da CSR e do espectro do feixe (figura 17). Em contra partida, como a intensidade da radiação é reduzida, é necessário que se aumente os fatores de exposição, como a tensão aplicada no tubo e o produto corrente no tubo por tempo de exposição (mAs) (MCKETTY, 1998).
Figura 17. Comparação do espectro de radiação filtrado e não filtrado (adaptada de MCKETTY, 1998).