Coeficientes de Interação da Radiação com a Matéria

De maneira genérica, um material equivalente a tecido é definido como sendo um material cujas propriedades de absorção e de espalhamento para uma determinada irradiação

simulam, tão próximo quanto possível, aquelas de um dado material biológico, tal como tecido mole, músculo, osso, ou gordura [100]. Todo o material usado para simular um determinado tecido do corpo com respeito a um conjunto de características físicas é denominado de substituto de tecido. Em geral, dois conjuntos de características físicas são usados como critério para a seleção de um material como sendo substituto para um determinado tecido, a saber: interação da radiação no tecido e as quantidades dosimétricas no ponto de interesse do tecido.

Uma experiência fundamental da física das radiações demonstra que se um objeto de espessura x é interposto no caminho de um feixe de fótons, onde N0 é o número de fótons incidentes; n, o número de fótons que interagem com o objeto e são removidos do feixe e N o número de fótons que atravessam o objeto sem registrar nenhuma interação com o mesmo, pode-se estabelecer a seguinte relação [101]:

n = µ N x

Nesta relação, µ é uma constante de proporcionalidade, denominada de coeficiente de atenuação linear, que depende da natureza do objeto e da energia dos fótons de raios X.

Para a caracterização dos tecidos do corpo humano e dos substitutos de tecido com respeito às interações com a radiação, o transporte da radiação das partículas primárias e secundárias na faixa de energia de interesse deve ser considerado. Dentre os coeficientes de interação empregados, um dos mais importantes é o coeficiente de atenuação de massa (µ/ρ) de um material, relativo a partículas ionizantes não-carregadas, que é definido como o quociente de (dN/N) por (ρdl), onde dN/N é a fração de partículas que sofrem interações ao atravessar a distância dl em um material de densidade ρ [99].

De outra forma, pode-se expressar o coeficiente de atenuação de massa como:

µ/ρ = (1/ρN) . (dN/dl)

Os equipamentos de radiologia e de tomografia computadorizada operam no intervalo de energia compreendido entre 40 keV e 150 keV, no qual os fótons interagem com os tecidos mediante diferentes combinações dependentes da energia, a saber, absorção fotoelétrica, espalhamento Compton (incoerente) e espalhamento coerente. Existem, ainda, os processos de interação mediante a produção de pares e a absorção fotonuclear, os quais ocorrem quando a energia do feixe é na ordem 1 MeV, ou maior [101].

O processo fotoelétrico ocorre quando o fóton incidente colide com um átomo do objeto e transfere toda a sua energia para um elétron da camada K, L, M ou N desse átomo. Como consequência, o elétron é ejetado de sua órbita. O elétron ejetado denomina-se de fotoelétron. A probabilidade de ocorrência do efeito fotoelétrico é maior quando a energia do

fóton incidente é igual, ou ligeiramente superior, a energia de ligação do elétron, sendo que o coeficiente de atenuação de massa do objeto, no caso da interação fotoelétrica, varia em função do número atômico do material que constitui o objeto, na proporção de Z3 _(para materiais de alto Z) a Z3,8 _{(para materiais de baixo Z) [101].}

No caso do espalhamento coerente, a radiação incidente, na forma de uma onda eletromagnética, interage com os átomos do objeto (tecido), fazendo com que os seus elétrons momentaneamente vibrem, emitindo uma radiação na mesma frequência da radiação incidente, caracterizando um espalhamento cooperativo, denominado de coerente [101]. O espalhamento coerente diminui rapidamente com o aumento da energia da radiação incidente, tornando-se muito pequeno para energias iguais, ou superiores, que 100 keV [101].

Todavia, sob certas circunstâncias, os elétrons podem produzir espalhamentos independentes. Nesse caso, trata-se do espalhamento incoerente, ou Compton. Parte da energia do fóton incidente é espalhada e parte, transferida na forma de energia cinética a um elétron livre. Dessa maneira, no espalhamento Compton, parte da energia do fóton incidente é absorvida pelo elétron livre, cuja trajetória é alterada, e parte é espalhada. O espalhamento Compton, juntamente com a interação fotoelétrica, é um dos mecanismos mais importantes a ser considerado no desenvolvimento de simuladores. De maneira resumida, pode-se dizer que o processo Compton é praticamente independente do número atômico do material, diminui com o aumento da energia e é muito importante quando se trata da interação da radiação com tecidos moles, notadamente, acima de 100 keV [101].

Assim sendo, em baixos valores de energia, como por exemplo, em 40 keV, a absorção fotoelétrica é o processo predominante. Nesse valor de energia, no tecido muscular, a absorção fotoelétrica contribui com aproximadamente 93% da seção reta, sendo que os espalhamentos Compton e coerente respondem pelo restante. À medida que a energia aumenta, a importância das interações fotoelétricas diminui, dando lugar a predominância dos processos Compton [99]. No radiodiagnóstico, essas são as interações predominantes.

Na faixa de energia empregada nos exames de raios-X convencional e de tomografia computadorizada, o coeficiente de atenuação de massa total, µ/ρ, pode ser expresso como a soma de seus componentes, usando a seguinte notação [99]:

µ/ρ = (τ/ρ) + (σc/ρ) + (σcoer/ρ) + (κ/ρ)

Nessa expressão, os componentes dos coeficientes de atenuação de massa referem-se, respectivamente, a absorção fotoelétrica, espalhamento Compton, espalhamento coerente e produção de pares. Como a energia empregada na radiologia geral e na tomografia

computadorizada geralmente situa-se abaixo de 140 keV, o coeficiente de atenuação de massa total é basicamente influenciado pela absorção fotoelétrica e espalhamento Compton [99].

A partir da relação n = µ N x, considerando-se a exposição de um objeto de espessura

x a um feixe de raios X de determinada energia, sendo I0 a intensidade do feixe incidente e Ix a

intensidade transmitida através do objeto, pode-se estabelecer a seguinte relação [15]:

Ix = I0.e-µx

Nesta relação, µ mantém seu significado como coeficiente de atenuação linear total, o qual é constante para uma determinada energia de raios-X e determina as características do material sob o ponto de vista da interação com o feixe incidente. Esta relação rege todos os sistemas de diagnóstico por imagem que empregam radiações γ e X e serve de base para o desenvolvimento dos simuladores de tecido.