Panorama das exposições médicas em radiologia convencional no Estado de São Paul...

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

INSTITUTO DE FÍSIC A

PANORAMA DAS EXPOSIÇÕES MÉDICAS EM

RADIOLOGIA CONVENCIONAL NO ESTADO DE SÃO PAULO

Marcelo Baptista de Freitas

Te se d e Do uto ra d o a p re se nta d a a o

Instituto d e Físic a d a Unive rsid a d e d e

Sã o Pa ulo p a ra o b te nç ã o d o Título d e

Do uto r e m C iê nc ia s

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

INSTITUTO DE FÍSIC A

PANORAMA DAS EXPOSIÇÕES MÉDICAS EM

RADIOLOGIA CONVENCIONAL NO ESTADO DE SÃO PAULO

Marcelo Baptista de Freitas

Te se d e Do uto ra d o a p re se nta d a a o

Instituto d e Físic a d a Unive rsid a d e d e

Sã o Pa ulo p a ra o b te nç ã o d o Título d e

Do uto r e m C iê nc ia s

O

RIENTADORA

Profa. Dra. Elisabeth Mateus Yoshimura

Ba nc a Exa m ina do ra :

Profa. Dra. Elisabeth Mateus Yoshimura (IFUSP)

Profa. Dra. Ana Maria Marques da Silva (PUC-RS)

Profa. Dra. Linda Viola Ehlin Caldas (IPEN)

Prof. Dr. Paulo Roberto Costa (IEE/USP)

Prof. Dr. Teógenes Augusto da Silva (CDTN)

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FICHA CATALOGRÁFICA

Preparada pelo Serviço de Biblioteca e Informação

do Instituto de Física da Universidade de São Paulo

Freitas, Marcelo Baptista de

Panorama das Exposições Médicas em Radiologia Convencional no

Estado de São Paulo.

São Paulo - 2005

Tese (Doutoramento) - Universidade de São Paulo

Instituto de Física - Departamento de Física Nuclear

Orientador: Profa. Dra. Elisabeth Mateus Yoshimura

Área de Concentração: Física

Unitermos

1. Dosimetria termoluminescente; 2. Radiologia;

3. Espectroscopia de raio X; 4. Radioproteção;

5. Física - física médica.

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Aos meus pais, Noé e Maria

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Agradecim ent os

À Profa. Elisabeth Mateus Yoshimura pela orientação, pela oportunidade do mestrado e iniciação científica, por ter acreditado na minha capacidade para levar adiante este trabalho e, principalmente, pela paciência nesses 10 anos de convívio no Laboratório de Dosimetria.

Aos pacientes que, de forma voluntária, permitiram que as medidas de dose de entrada na pele fossem realizadas.

A todos os Técnicos e Médicos Radiologistas dos diversos estabelecimentos de saúde participantes do estudo, que realizaram, ou permitiram que se realizassem, medidas de dose nos pacientes.

Aos Profs. Odair Dias Gonçalves (UFRJ) e Thomaz Ghilardi Netto (FFCLRP-USP) pelo empréstimo dos equipamentos utilizados nas medidas de campo.

Aos amigos do I nstituto de Eletrotécnica e Energia da USP (I EE), Marco Aurélio Guedes e Profs. Ricardo Terini e Silvio Herdade, pela troca de experiências sobre as medidas com o detector CdZnTe e a Tânia Furquim pelas sugestões e empréstimo do equipamento utilizado na análise das imagens do simulador.

À Dra. I ara Alves Camargo do Centro de Vigilância Sanitária de São Paulo por permitir o acesso ao banco de dados do cadastro nacional de estabelecimentos de saúde (CNES) e a Martha Aurélia Aldred pelas longas discussões sobre saúde pública.

Ao Sr. Luís Hungaro pela prontidão e competência com que sempre reparou nosso equipamento de raios X.

Aos funcionários do Institituto de Física, em especial, à Claudia, Eber, Francisleine e Camila da CPG, ao Adailton da Tesouraria, à Gina da Administração, à Beth, Clarice e Rose, secretarias do Depto. de Física Nuclear e ao Otávio, Pedro, Tucão e Sr. Donato da Oficina Mecânica.

Ao Prof. Armando Corbani, Presidente da CPG-I F, e a Profa. Suely Vilela, Pró-Reitora de Pós-Graduação da USP, por viabilizarem o uso de recursos para participação em congressos.

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À Profa. Ana Regina Blak por manter o astral do Laboratório sempre em alta com os seus “bom-dia” sempre muito calorosos.

A todos os amigos do Laborátorio, em especial ao Almy, que depois de 10 longos anos também caminha para ser “Dr.”, ao Fernando (Bob) pelas contribuições e discussões sobre o detector CdZnTe, ao Morlotti pelas fotografias da tese, e também ao Roberto, à Carla, à Livia, ao Rodrigo e ao Mário.

Aos amigos que agora estão distantes, mas que dividiram muitos momentos de alegria e tristeza no Laboratório, Saulo, Edu, Gabriel, Sergio e Fred.

À Nancy e ao Chico, pelo trabalho silencioso nos bastidores do Laboratório para que tudo funcionasse.

Aos Professores do I nstituto de Física que contribuiram para a minha formação, em especial, à Marília, ao Otaviano, à Maria Regina, à Cecil e à Mazé.

Aos meus sogros e amigos, Martha e Júlio pelo incentivo durante todo o trabalho e pelo cuidado da Mariana e da Macarena na minha ausência.

Às minhas “Mulheres de Atenas”: minha esposa, companheira e amiga Macarena, que tem enfrentado junto comigo todos os desafios da vida acadêmica e a minha filhota Mariana, que já não vê a hora do papai acabar o “livro”.

À FAPESP pela minha bolsa de doutorado e também pelo auxílio financeiro que permitiu a realização de várias etapas deste estudo.

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Resum o

A dosim et ria de pacient es associada à avaliação das condições de funcionam ent o dos equipam ent os m édicos e aos procedim ent os em pregados na realização dos exam es, desem penha um papel fundam ent al no sist em a de prot eção radiológica das exposições m édicas. Nesse sent ido, foi realizado um levant am ent o em grande escala das doses recebidas pelos pacient es subm et idos a exam es radiológicos convencionais realizados em um a am ost ra represent at iva de est abelecim ent os de saúde do est ado de São Paulo. Nesse levant am ent o foi em pregado um kit dosim ét rico post al originalm ent e desenvolvido, que perm it iu a det erm inação da dose de ent rada na pele ( DEP) at ravés da t écnica de dosim et ria t erm olum inescent e. Paralelam ent e foram realizadas visit as in- loco a um a sub- am ost ra de est abelecim ent os, onde as condições de funcionam ent o dos equipam ent os de raiosX m édicos e do sist em a de im agem foram avaliadas em pregando-se procedim ent os e equipam ent os j á est abelecidos em prot ocolos de cont role de qualidade. O est udo com plet ou- se com a elaboração de um cat álogo de espect ros na faixa de energia do radiodiagnóst ico, que, at ravés de procedim ent o desenvolvido, perm it iu inferir espect ros equivalent es em equipam ent os m édicos. Na det erm inação dos espect ros foi em pregado um det ect or sem icondut or de t eluret o de cádm io e zinco ( CdZnTe) , cuj as curvas de eficiência e escape foram det erm inadas experim ent alm ent e para realização do processo de correção dos espect ros (st ripping procedure) .

O processo de am ost ragem de est abelecim ent os de saúde realizado nest e est udo perm it iu verificar a dist ribuição de equipam ent os de diagnóst ico por im agem e a freqüência de exam es radiológicos no est ado de São Paulo. A part ir desses result ados foram escolhidos os exam es de t órax, crânio ( e seios da face) e coluna para avaliação de DEP, um a vez que os m esm os apresent am as m aiores freqüências anuais de exam es por 1.000 habit ant es: 100, 46 e 29, respect ivam ent e.

Na t écnica de am ost ragem dos est abelecim ent os de saúde incluídos nest e est udo foi em pregado com o crit ério de est rat ificação a quant idade anual de exam es radiológicos associados ao m unicípio de localização do est abelecim ent o. Do t ot al de 200 est abelecim ent os sort eados, 50 part iciparam da prim eira et apa e 38 da segunda. Um t ot al de 83 salas de exam es ( ou equipam ent os) e 868 pacient es foram incluídos, e um conj unt o de 1415 valores de DEP foi det erm inado.

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fat o sugere que as prát icas em pregadas na realização dos exam es devem ser revisadas e que recom endações específicas a esse grupo de pacient es, a part ir de est udos dirigidos, sej am publicadas. Const at ou- se t am bém alguns casos de DEP elevada pelo uso desnecessário de radioscopia de localização.

Os t est es de desem penho dos equipam ent os e a avaliação das im agens realizadas sugerem que há possibilidade de m elhoria das condições de realização dos exam es, sem perda de inform ação diagnóst ica present e na im agem e com redução das doses.

Alguns espect ros de raiosX det erm inados experim ent alm ent e apresent aram divergência em relação a out ros cat álogos j á est abelecidos, num a faixa específica de energia do espect ro ( ent re 25 e 40keV) . Para a sua ut ilização em sit uações prát icas há necessidade de algum as correções na curva de eficiência, o que não inviabiliza a m et odologia e os procedim ent os est abelecidos.

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Abst ract

Pat ient s’ dosim et ry, associat ed wit h t he assessm ent of t he perform ance of t he radiological equipm ent and of t he series of procedures em ployed in t he accom plishm ent of t he exam inat ions, plays fundam ent al role in t he radiat ion prot ect ion syst em of m edical exposures. Therefore, a large- scale survey of absorbed doses was carried out in healt h services localized in t he st at e of São Paulo, including pat ient s subm it t ed t o convent ional radiological exam inat ions. I n t his survey a post al dosim et ric kit , originally developed, was em ployed. I t allows t he evaluat ion of t he ent rance surface dose ( ESD) t o pat ient s wit h t herm olum inescence dosim et ers. Also a series visit s t o a sub- sam ple of services was carried out , giving rise t o t he in- loco evaluat ion of t he perform ance of t he m edical x- ray equipm ent and of t he im age syst em , using procedures and equipm ent s already est ablished in prot ocols of qualit y cont rol. The st udy is com plet ed wit h t he elaborat ion of a cat alogue of x- ray spect ra, which provides m eans t o infer t he spect ra generat ed by m edical x- ray equipm ent s. Measurem ent s of x- ray spect ra were carried out wit h a cadm ium zinc t elluride det ect or ( CdZnTe) , and t he st ripping procedure was perform ed t aking int o account bot h t he cont ribut ions of efficiency and x- ray escape fract ion, experim ent ally det erm ined in t his work.

The st rat ified sam pling t echnique furnished im port ant dat a on t he dist ribut ion of equipm ent s and t he annual frequency of exam inat ions perform ed in t he st at e of São Paulo. From t hese result s radiological exam inat ions of t he chest , skull and sinus, and spine were select ed for t he evaluat ion of ESD, as t heir annual frequencies are t he highest observed: 100, 46 and 29 per t housand inhabit ant s, respect ively.

The num ber of x- ray exam inat ions carried out annually in t he cit ies of t he st at e was em ployed as t he st rat ificat ion crit erion t o const ruct t he sam ple. From a t ot al of 200 healt h services sam pled, 50 agreed t o part icipat e of t he first st age, and 38 of t he second. A t ot al of 83 room s ( or x- ray equipm ent s) and 868 pat ient s was included, and a set of 1415 values of ESD was m easured.

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The result s of t he equipm ent perform ance t est s and of t he evaluat ion of im age qualit y suggest t hat it is possible t o im prove t he condit ions of t he exam inat ions and t o reduce doses t o pat ient s, wit hout im pairm ent of t he diagnost ic inform at ion.

Som e of t he experim ent ally det erm ined x- ray spect ra show a discrepancy, when com pared t o ot her cat alogue spect ra, in a part icular energy range – 25 t o 40 keV. The pract ical applicat ion of t hem will require som e correct ions in t he efficiency curve, but t he est ablished m et hodology and procedures rem ain legit im at e.

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Í N DI CE

I - I N TRODUÇÃO 1

I - 1. Considerações I niciais... 3

I - 2. Obj et ivos do Est udo... 7

I I - FUN DAM EN TOS TEÓRI COS 9 I I - 1. Exposições Médicas... 11

I I - 1.1. Níveis de Referência... 11

I I - 2. Term olum inescência ( TL) ... 14

I I - 2.1. Prim eiras Observações... 16

I I - 2.2. Descrição do Fenôm eno ... 17

I I - 2.3. Medidas Típicas ... 21

I I - 2.4. Modelo TL... 23

I I - 2.5. Algum as Aplicações... 28

I I - 3. Espect roscopia de Fót ons... 29

I I - 3.1. Considerações I niciais... 29

I I - 3.2. Hist órico... 30

I I - 3.3. Processo de Det ecção de Fót ons... 31

I I - 3.4. Desm em bram ent o da Dist ribuição de Alt uras de Pulsos... 32

I I - 3.5. Caract eríst icas Gerais dos Det ect ores... 33

I I - 3.6. Det ect ores de Teluret o de Cádm io e Zinco ( CdZnTe)... 35

I I I - M ATERI AL E M ÉTODOS 3 7 I I I - 1. I nt rodução... 39

I I I - 2. Kit Dosim ét rico Post al: Desenvolvim ent o e Aplicação... 40

I I I - 3. Am ost ragem dos Est abelecim ent os de Saúde... 43

I I I - 3.1. Cadast ro Nacional de Est abelecim ent os de Saúde ( CNES)... 43

I I I - 3.2. Exam es Radiológicos Convencionais... 45

I I I - 3.3. Plano de Am ost ragem... 48

I I I - 4. Avaliação de Doses em Exam es Típicos... 50

I I I - 4.1. Dosim et ria Term olum inescent e... 52

I I I - 5. Verificação in- loco das Condições de Funcionam ent o dos Equipam ent os de RaiosX e do Sist em a de I m agem ... 57

I I I - 5.1. Avaliação dos Equipam ent os de RaiosX... 59

I I I - 5.2. Avaliação do Sist em a de I m agem... 61

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I I I - 7. Medidas de Espect ros de RaiosX e suas Caract eríst icas... 68

I I I - 8. Elaboração de um Cat álogo de Espect ros... 69

I V- RESULTADOS E DI SCUSSÃO 7 3 I V- 1. Est abelecim ent os de Saúde Part icipant es do Est udo... 75

I V- 2. I nform ações Colet adas e Analisadas durant e o Est udo... 78

I V- 3. Dose de Ent rada na Pele ( DEP) ... 83

I V- 4. Níveis de Referência... 93

I V- 5. Condições de Funcionam ent o dos Equipam ent os de RaiosX... 97

I V- 6. Avaliação do Sist em a de I m agem ... 100

I V- 7. Curvas de Eficiência e Escape do Det ect or CdZnTe... 104

I V- 8. Espect ros de RaiosX... 107

V- CON CLUSÕES 1 1 3

Referências Bibliográficas 1 1 9

AN EXOS 1 2 7

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I - I NTRODUÇÃO

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I - 1 . Considerações I niciais

O sist em a de prot eção radiológica dos pacient es subm et idos a exposições m édicas é governado pelos princípos da j ust ificação e da ot im ização. Nesse sent ido, um exam e radiológico é j ust ificado se o benefício para a saúde do pacient e, provenient e do diagnóst ico m édico obt ido pela im agem , é superior ao det rim ent o1_{causado pela}

exposição à radiação. Um a vez j ust ificado, o exam e deve ser realizado com equipam ent os e t écnicas radiológicas que garant am doses ao pacient e t ão baixas quant o razoavelm ent e prat icáveis ( ALARP) , consist ent es com a necessidade ou o propósit o do exam e em quest ão ( Wall, 2004) .

Part indo desses princípios e, considerando que num prim eiro m om ent o t odas as exposições m édicas t razem um real benefício à saúde do pacient e, não são est abelecidos lim it es de dose para a realização de exam es radiológicos, com o acont ece no caso de exposições ocupacionais e do público. Em seu lugar são ut ilizados os cham ados níveis de referência: ” valores de dose para exam es t ípicos realizados em pacient es represent at ivos - biót ipo t ípico ( ou em sim ulador padrão) , com equipam ent os am plam ent e definidos. Est es níveis não devem ser ult rapassados nos procedim ent os habit uais, quando são aplicadas as boas prát icas corrent es relat ivas ao diagnóst ico” ( EC- MED, 1997) .

Os Est ados Unidos ( 1988) e o Reino Unido ( 1992) foram os prim eiros países a adot ar níveis de referência para exposições em pacient es decorrent es da prát ica m édica ( Wall & Shrim pt on, 1998) . Depois das iniciat ivas nacionais, recom endações int ernacionais das sociedades de prot eção radiológica com eçaram a surgir. A I nt ernat ional Com m ission on Radiological Prot ect ion ( I CRP 60, 1991) sugere a utilização de níveis de invest igação para exposições m édicas com o pont o de part ida na ident ificação de prát icas incorret as. Em sua publicação de núm ero 73 ( I CRP 73, 1996) a Com issão sugere, dent ro do processo de ot im ização, a ut ilização dos níveis de referência de diagnóst ico para pacient es.

Na Europa, os valores de dose, correspondent es aos níveis de referência, foram publicados em t rês conj unt os de recom endações: European Guidelines on Qualit y Crit eria for Diagnost ic Radiographic I m ages para pacient es adult os ( EUR, 1996a) e pediát ricos ( EUR, 1996b) , bem com o para pacient es adult os subm et idos a exam es de t om ografia com put adorizada ( EUR, 1999a) . Nessas recom endações, os valores dos níveis de referência correspondem ao valor do 3º quart il da dist ribuição de doses. Essa dist ribuição de valores de dose foi obt ida em est udos de grande escala, realizados em am ost ras

1_{Prej uízo à saúde devido aos efeitos estocásticos, para os quais não existe lim iar de dose abaixo do qual não}

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Panorama das Exposições Médicas Marcelo B. Freitas

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represent at ivas de est abelecim ent os de saúde, responsáveis pela realização dos exam es, dist ribuídos em vários países da Europa.

No Brasil, os níveis de referência foram est abelecidos pela Port aria nº 453 ( 01/ 06/ 1998) do Minist ério da Saúde ( SVS, 1998) , publicada at ravés da Secret aria de Vigilância Sanit ária, que regulam ent a as diret rizes básicas de prot eção radiológica, m ais especificam ent e, em radiodiagnóst ico m édico e odont ológico. Em bora não haj a m enção na Port aria, os valores apresent ados para os níveis de referência são os m esm os da publicação Safet y Series nº 115 da Agência I nt ernacional de Energia At ôm ica ( I AEA, 1996) . Além dos valores dos níveis de referência, a Port aria nº 453 t am bém est abelece e regulam ent a os parâm et ros e as ações para o cont role das exposições m édicas, das exposições ocupacionais e das exposições do público, decorrent es das prát icas com raiosX diagnóst ico, bem com o, os requisit os para o licenciam ent o e a fiscalização dos serviços que realizam procedim ent os radiológicos m édicos e odont ológicos.

Ainda em relação ao sist em a de prot eção radiológica em exposições m édicas, m as agora t rat ando m ais especificam ent e das exposições em radiologia convencional, cabe dest acar que o processo de ot im ização do uso das radiações para fins de diagnóst ico dem anda um a at uação sobre t rês diferent es aspect os, fort em ent e relacionados ent re si ( NRPB, 1996) :

- qualidade diagnóst ica da im agem radiológica - dose de radiação recebida pelo pacient e - escolha da t écnica radiográfica

A busca de um a im agem radiológica que sej a adequada para os propósit os clínicos de diagnóst ico com o m ínim o de dose de radiação absorvida pelo pacient e é um dos principais obj et ivos do processo de ot im ização. Para alcançar o equilíbrio ideal ent re dose e qualidade de im agem , port ant o a condição ót im a, é necessário ent ender com o os diversos parâm et ros da t écnica radiográfica influenciam a form ação da im agem e afet am a dose de radiação ( Mart in et al., 1999) . Além disso, é im port ant e est abelecer e aplicar um a m et odologia que perm it a analisar o com port am ent o da dose e da qualidade de im agem , considerando os diversos est ágios envolvidos na realização de um exam e radiológico.

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I - I NTRODUÇÃO

5 Quadro I-1. Fatoresa relacionados aos procedimentos e aos equipamentos que afetam a dose recebida pelos pacientes submetidos a exames radiológicos convencionais.

Fat ores Efeit os

Relacionados aos Procedim ent os protocolos m édicos de tratam ento e diagnóstico

estabelecidos protocolos específicos reduzem a dose rem oção de exam es desnecessários per capita pela

disponibilidade de radiografias anteriorm ente

realizadas pode elim inar algum as repetições e então reduzir a dose per capita

núm ero de radiografias por exam e positivam ente correlacionado com a dose

program as de garantia de qualidade, incluindo avaliação de taxas de repetição/ rej eição e estudos da dose recebida pelos pacientes

pode reduzir a dose per capita

colim ação do feixe de raiosX área positivam ente correlacionado com a dose

proteção de órgãos sensíveis pode reduzir a dose

escolha da proj eção do exam e radiológico dose depende da proj eção

densidade óptica da radiografia positivam ente correlacionado com a dose

relação entre parâm etros de exposição e biótipo do

paciente pode reduzir a dose

Relacionados aos Equipam ent os

tem po e corrente positivam ente correlacionados com a dose

tensão aplicada aum ento da tensão pode reduzir a dose, m as tam bém o contraste da im agem

form a de onda do gerador de alta-tensão equipam entos trifásicos e de alta freqüência reduzem a dose e o contraste

grades anti- espalham ento aum entam a dose e a qualidade da im agem

atenuação entre o paciente e o receptor de im agem m ateriais de baixa atenuação reduzem a dose

com binação écran- film e écrans m ais rápidos reduzem a dose, m as algum as vezes tam bém a qualidade da im agem

processam ento do film e tem po longo de processam ento ou quím icos e tem peratura que aum entam a velocidade de revelação reduzem a dose

a_{Adaptado de UNSCEAR, 1993.}

A m aioria dos fat ores relacionados aos equipam ent os de raiosX que t em efeit o nos valores de dose e na qualidade da im agem radiológica ( t ensão, corrent e, t em po, filt ração, form a de onda do gerador et c.) , acaba por se m anifest ar no espect ro de raiosX gerado pelo equipam ent o m édico. Port ant o, o conhecim ent o dos espect ros nas m ais variadas com binações dos parâm et ros t écnicos em pregados na realização dos exam es radiológicos, pode t am bém cont ribuir para o processo de ot im ização.

A det erm inação experim ent al dos espect ros de raiosX provenient es de

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6

m édicos e a diversidade de condições clínicas em pregadas na realização dos exam es acaba por t ornar o processo de det erm inação dos espect ros ainda m ais difícil. Out ros m ét odos t êm sido em pregados na geração dos espect ros para cont ornar esse problem a: sim ulação pelo m ét odo de Mont e Carlo ( Mercier, 1999) e m ét odos sem i- em píricos ( Birch & Marshall, 1979; Tucker et al., 1991) , em bora ainda exist am lim it ações quant o a faixa de energia e a represent at ividade dos espect ros gerados em com paração aos espect ros clínicos provenient es dos equipam ent os m édicos.

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I - I NTRODUÇÃO

7

I - 2 . Obj et ivos do Est udo

!" Det erm inar os valores de dose de ent rada na pele ( DEP) em pacient es subm et idos a exam es radiológicos convencionais realizados em um a am ost ra represent at iva de est abelecim ent os de saúde do est ado de São Paulo.

!" Verificar as condições de funcionam ent o dos equipam ent os radiológicos e do sist em a de im agem em pregados na realização dos exam es.

!" Est abelecer os valores de DEP correspondent es aos níveis de referência para pacient es adult os que realizam exam es radiológicos convencionais em est abelecim ent os de saúde do est ado de São Paulo.

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I I - FUNDAMENTOS TEÓRI COS

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I I - 1 . Exposições Médicas

I I - 1.1. Níveis de Referência

Com o ant eriorm ent e dit o, os níveis de referência são aplicados a procedim ent os de diagnóst ico com uns, realizados em grupos de pacient es com caract eríst icas físicas t ípicas ou em sim ulador- padrão, não se aplicando a exposições ou pacient es individualm ent e. Nesse sent ido, se esse nível é cont inuam ent e excedido, um a revisão dos procedim et os e/ ou equipam ent os em pregados na realização dos exam es deve ser realizada e ações corret ivas devem ser im plem ent adas. Ent ret ant o, exceder esse nível não significa aut om at icam ent e que um exam e est á sendo realizado de form a inadequada ou, por out ro lado, valores de dose abaixo dos níveis de referência podem t am bém não ser indicat ivo de boas prát icas. Em out ras palavras, os níveis de referência devem ser est abelecidos considerando a realidade nacional ou regional, e levando em cont a os equipam ent os e os recursos hum anos disponíveis para realização dos exam es.

A princípio, os níveis de referência são aplicados a qualquer área da radiologia diagnóst ica, ent ret ant o, eles devem ser part icularm ent e em pregados em áreas onde há considerável possibilidade de redução de doses individuais ou colet ivas, ou onde um a redução nos valores de dose pode significar um a redução expressiva no risco provenient e da exposição a radiação ( EUR, 1999b) :

- exam es freqüent es, incluindo exam es de program as de screening;

- exam es com um ent e prat icados com alt os valores de dose, com o t om ografia

com put adorizada ( TC) e procedim ent os que requeiram elevado t em po de fluoroscopia ( radiologia int ervencionist a) ;

- exam es realizados em pacient es com m aior sensibilidade aos efeit os da radiação, com o pacient es pediát ricos.

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( SVS, 1998) est abelece com o adult o t ípico, pacient es pesando ent re 60 e 75kg e com alt ura ent re 1,60 e 1,75m .

Os valores de dose correspondent es aos níveis de referência devem ser revisados periodicam ent e, a fim de que possam ser reduzidos ao longo do t em po com a incorporação de t écnicas e procedim ent os ot im izados. Nesse pont o vale dest acar que a avaliação das doses nos pacient es subm et idos a exam es de diagnóst ico é som ent e um dos aspect os que precisam ser considerados nos program as de cont role de qualidade ( CQ) , ou sej a, os program as devem ser m ant idos e realizados m esm o que os valores de dose prat icados est ej am abaixo dos níveis de referência est abelecidos.

O uso prát ico dos níveis de referência, de m odo a perm it ir com parações ent re os diversos est abelecim ent os de saúde responsáveis pela realização dos exam es radiológicos, requer que eles sej am expressos em grandezas dosim ét ricas claram ent e definidas e facilm ent e m edidas ou calculadas a part ir dos parâm et ros de exposição em pregados ( t écnica radiológica) . Nesse sent ido, algum as grandezas dosim ét ricas, j á definidas e est abelecidas, t êm sido adot adas com o níveis de referência, dependendo do t ipo de exam e radiológico realizado ( Faulkner et al., 1999; Wall, 2004) :

• dose de ent rada na pele ( DEP) para radiografias individuais;

• produt o dose- área ( PDA) para radiografias individuais ou exam es com plet os

envolvendo radiografias e/ ou fluoroscopia;

• índice de dose para exam es de t om ografia com put adorizada ( CDTI ) ;

A dose de ent rada na pele ( DEP) é definida com o a dose absorvida no ar, no pont o coincident e do eixo cent ral do feixe de radiação com a superfície de ent rada da pele do pacient e, incluindo o fat or de ret ro- espalham ent o do m esm o. É usualm ent e expressa em unidades de m Gy ( energia por unidade de m assa, no Sist em a I nt ernacional: J.kg- 1_{) e}

pode ser m edida diret am ent e, por dosím et ros t erm olum inescent es ( TLDs) calibrados fixados na superfície da pele do pacient e, ou indiret am ent e, por câm ara de ionização posicionada no ar, no eixo cent ral do feixe de raiosX, aplicando- se fat ores de correção para a dist ância foco- pele ( DFP) ut ilizada na realização do exam e, e para o ret ro-espalham ent o, conform e a energia efet iva ( ou equivalent e) do feixe de radiação. O fluoret o de lít io ( LiF) e o borat o de lít io ( Li2B4O7) são os m at erias t erm olum inescent es

m ais ut ilizados nesse t ipo de dosim et ria. O núm ero at ôm ico efet ivo de am bos ( 8,14 e 7,4, LiF e Li2B4O7 respect ivam ent e) dem onst ra equivalência em relação ao t ecido hum ano

( Zef( tecido)= 7,42) , dispensando correções em relação à dependência energét ica na faixa de

(29)

13 norm alm ent e realizadas durant e program as de cont role de qualidade, são frequent em ent e ut ilizadas no cálculo do valor de DEP, a part ir dos parâm et ros ou t écnica ( kV, m As e DFP) em pregados individualm ent e na realização de um exam e em um det erm inado pacient e. A DEP é norm alm ent e ut ilizada em exam es convencionais de radiodiagnóst ico, onde a t écnica ( kV, m A.s, dist ância foco- film e) e as condições de irradiação ( local do corpo e t am anho de cam po) são m ant idas const ant es durant e a realização do exam e.

Em exam es radiológicos m ais com plexos, com o fluoroscopia e angiografia, os equipam ent os de raios X ut ilizados possuem aj ust es aut om át icos de t écnica ( kV e m A.s) e o t am anho de cam po e a região do pacient e irradiada pelo feixe prim ário m udam cont inuam ent e durant e a realização do exam e. Nesses casos a grandeza produt o dose-área t em sido ut ilizada com m ais freqüência. O produt o dose- dose-área ( PDA) é definido com o a dose m édia absorvida no ar, calculada sobre a área do feixe de radiação em um plano perpendicular ao eixo cent ral, m ult iplicada pela área do feixe no m esm o plano. É usualm ent e expressa em unidades de Gy.cm2_{( energia por unidade de m assa vezes área,}

no Sist em a I nt ernacional: J.kg- 1_.m2_{) e apresent a com o principal caract eríst ica ser}

invariant e com a dist ância ent re o pacient e e o foco do t ubo de raiosX. É m edida com a ut ilização de câm aras de ionização de grande área superficial, fixadas diret am ent e no suport e do diafragm a do t ubo de raiosX. Elas int egram a dose absorvida sobre a área t ot al do feixe para qualquer quant idade de radiografias ou exposições fluoroscópicas, fornecendo um único valor para a som a t ot al da radiação absorvida pelo pacient e em um exam e com plet o envolvendo radiografias e/ ou fluoroscopia. Medidores de PDA devem ser calibrados depois da inst alação do equipam ent o de raiosX, um a vez que as condições de espalham ent o e a at enuação dos m at eriais ent re o m edidor e o pacient e ( m esa, et c.) precisam ser consideradas ( NRPB, 1992) .

No caso de exam es t om ográficos, a principal grandeza ut ilizada é o com put ed t om ography dose index ( CTDI ) . Ela é definida com o a m edida do perfil de dose int egrada ao longo de um a linha paralela ao eixo de rot ação, dividida pela espessura nom inal do feixe de raiosX. Ela é m edida com câm aras de ionização t ipo “ lápis” com com prim ent o at ivo de 100m m . Os níveis de referência para t om ografia com put adorizada são baseados em m edidas de CTDI realizadas com sim uladores cilíndricos e hom ogêneos de polim et ilm et acrilat o, com diâm et ros de 16cm ( cabeça) e 32cm ( t ronco – corpo) ( EUR, 1999) .

Ainda em relação às grandezas dosim ét ricas, vale lem brar que a t ransferência da energia provenient e de um feixe de fót ons para o m eio ocorre em dois est ágios. A

grandeza kerm a, definida pela I nt ernat ional Com m ission on Radiat ion Unit s and

(30)

14

iniciais de t odas as part ículas ionizant es carregadas liberadas pelas part ículas ionizant es não carregadas ( fót ons ou nêut rons) num m eio de volum e elem ent ar, pela m assa desse volum e, represent a o prim eiro est ágio ( energia t ransferida) . Já a grandeza dose absorvida, definida com o o quocient e da energia m édia deposit ada em um m eio de volum e especificado, pela m assa desse volum e ( I CRU, 1980) , represent a o segundo est ágio ( energia absorvida) . Com o a energia t ransferida e a energia absorvida ocorrem em locais diferent es do m eio, as grandezas kerm a e dose absorvida só são iguais em condições de equilíbrio elet rônico2_{, desprezadas ainda as perdas de energia por produção}

de brem sst rahlung. A grandeza kerm a é fácil de ser calculada, m as díficil de ser m edida ( Johns & Cunningham , 1983) . Quando o m eio é o ar ou a água e a faixa de energia dos fót ons é da ordem de dezenas de keV ( raios X diagnóst ico, por exem plo) , kerm a e dose absorvida são iguais.

I I - 2 . Term olum inescência ( TL)

A t erm olum inescência ( TL) consist e na em issão de luz por m at eriais ( isolant es ou sem icondut ores) aquecidos. Est e fenôm eno não deve ser confundido com a incandescência, que é a em issão espont ânea de luz por subst âncias aquecidas. Na t erm olum inescência, m at eriais previam ent e irradiados ( que absorveram energia) em it em luz at ravés de um processo t erm icam ent e est im ulado. Fica claro port ant o, que t rês condições são necessárias para a produção de t erm olum inescência. Prim eira, o m at erial precisa ser um isolant e ou um sem icondut or – m et ais não apresent am propriedades lum inescent es. Segunda, precisa haver exposição à radiação para que o m at erial receba energia. Terceira e últ im a, a em issão lum inescent e é disparada pelo aquecim ent o do m at erial. Um a part icular caract eríst ica dos m at eriais t erm olum inescent es é que, um a vez aquecidos at é a t em perat ura que provoca em issão de luz, um reaquecim ent o só causa nova em issão de luz se o m at erial for irradiado novam ent e.

O princípio fundam ent al que governa a t erm olum inescência é essencialm ent e o m esm o que governa t odos os processos lum inescent es, ou sej a, a t erm olum inescência é um dos fenôm enos pert encent es à grande fam ília dos fenôm enos lum inescent es. Os fenôm enos de lum inescência ocorrem quando a energia de radiação incident e no m at erial é absorvida e em it ida na form a de luz de m aior com prim ent o de onda – ult raviolet a,

2

(31)

15 visível e infraverm elho. O com prim ent o de onda da luz em it ida é caract eríst ico da subst ância lum inescent e e não da radiação incident e. Os vários fenôm enos de lum inescência recebem nom es que dependem da form a ut ilizada para excit ar a em issão. Por esse m ot ivo a lum inescência est im ulada pelo aquecim ent o ( calor) , recebe o nom e de t erm olum inescência. É com um classificar o processo de lum inescência em relação ao t em po (τc) decorrido ent re a absorção de energia da radiação incident e e a em issão de

luz pelo m at erial. Se a em issão ocorrer em qualquer inst ant e m enor que 10- 8_{s, diz- se}

t rat ar- se de fluorescência. Por out ro lado, se o int ervalo de t em po ent re a absorção e a em issão for m aior que 10- 8_{s, a em issão é cham ada de fosforescência, incluída nela a TL.}

É claro que para t em pos de em issão m uit o curt os, fica difícil dist inguir ent re o processo de fluorescência e fosforescência. Do pont o de vist a prát ico, um a m aneira clara de dist inguir ent re fluorescência e fosforescência é observar o efeit o da t em perat ura no decaim ent o da lum inescência. No caso da fosforescência, o t em po ent re a absorção de energia e a em issão de luz apresent a fort e dependência com a t em perat ura, enquant o que na fluorescência, ele é const ant e, ou sej a, independe da t em perat ura.

A t em perat ura da subst ância pode, ent ão, t er um papel m uit o im port ant e no que diz respeit o à est abilidade da energia arm azenada em decorrência da excit ação. Se part e da energia de excit ação for arm azenada no m at erial, e a em issão de luz acont ecer com o um a consequência do aum ent o da t em perat ura, diz- se t rat ar- se de t erm olum inescência ( TL) . Port ant o, a t erm olum inescência consist e na em issão de luz por um m at erial, quando aquecido, com o produt o da liberação de cert a quant idade de energia previam ent e absorvida e arm azenada. Essa absorção pode ser devido à excit ação com radiação ionizant e, raios ult raviolet a, t ensões m ecânicas, reações quím icas, et c. ( Lim a, 1991) . A em issão t erm olum inescent e pode ser disparada a qualquer inst ant e ( t em po) depois de t erm inada a irradiação. Est e t em po pode variar de m inut os at é anos. Um lim it e prát ico de t em po ent re a irradiação e a em issão t erm olum inescent e é a idade do sist em a solar 4,6x109 _{de anos ( Figura I I - 1) .}

Figura II-1. “Árvore da Família” dos fenômenos de luminescência. luminescência

fluorescência τc < 10-8s

fosforescência τc > 10-8s

(32)

16

Os m at eriais que m ais apresent am TL são os sólidos dielét ricos, em bora o fenôm eno t am bém sej a exibido por out ros m at eriais t ais com o vidro e alguns com post os orgânicos ( poliet ileno e t eflon) . Os m at eriais m ais am plam ent e est udados são aqueles que se prest am às aplicações em dosim et ria ( LiF, CaF2, CaSO4, Li2B4O7, MgSiO4, BeO) e em

Geologia e Arqueologia ( quart zo, calcit a, fluorit a) . Muit os desses m at eriais são preparados em laborat ório at ravés de t écnicas de crescim ent o de crist ais.

I I - 2.1. Prim eiras Observações

Provavelm ent e a prim eira referência cient ífica sobre a t erm olum inescência sej a o t rabalho apresent ado por Robert Boyle na Royal Societ y of London em 1663, no qual descreve a TL com o um a luz observada durant e o aquecim ent o de um diam ant e no escuro. As prim eiras int erpret ações da TL sugeriam que o calor era t ransform ado diret am ent e em luz. Du Fay em 1738, t rabalhando com quart zo, m ost rou que a t erm olum inescência poderia ser reat ivada pela exposição da am ost ra à luz e que o calor agia apenas com o est ím ulo para em issão e não com o causa. Os prim eiros t rabalhos de t erm olum inescência feit os de form a cont rolada provavelm ent e foram os realizados por Weidem ann e Schm idt em 1895. Eles t rabalharam com diversos m at eriais e induziram a t erm olum inescência irradiando as am ost ras com feixe de elét rons. Em 1904, Marie Curie

faz referência à t erm olum inescência do CaF2 expost o ao rádio, e em 1925 Wick

invest igou a TL em fluorit as e carbonat os. A t em perat ura na qual ocorre o m áxim o de em issão TL foi relacionada com a profundidade de arm adilhas de elét rons por Urbach em 1930. Em 1945 foi publicado um t rabalho por Randall e Wilkins, no qual os aut ores form alizaram a t eoria da t erm olum inescência considerando um m ecanism o de prim eira ordem no qual os elét rons liberados das arm adilhas sofriam recom binação, de m odo que a t axa de variação do núm ero de elét rons arm adilhados era proporcional à int ensidade da luz em it ida. Em 1953, Daniel e colaboradores publicaram um art igo no qual discut iam as possibilidades de aplicação da t erm olum inescência, ent re elas a dat ação geológica e a

dosim et ria de radiação. O t rabalho de Lym an em 1935, que utilizava o fósforo3

t erm olum inescent e de CaSO4 para det ect ar radiação ult raviolet a, foi o prim eiro a fazer

uso da t erm olum inescência em dosim et ria.

(33)

17

I I - 2.2. Descrição do Fenôm eno

Um a form a bast ant e convenient e para se iniciar um a descrição t eórica da t erm olum inescência é considerar a est rut ura de bandas ( faixas) dos níveis de energia dos elét rons.

A solução da equação de Schroedinger para um elét ron subm et ido a um pot encial periódico, t al com o é o caso do pot encial devido aos íons de um a rede crist alina, revela que esse elét ron só pode ocupar cert as faixas de energia que se encont ram separadas por um a faixa proibida ( Kit ell, 1976) . A ocupação das faixas de energia, ou bandas, é descrit a pela função de densidade de est ados:

Z( E) f( E)

N( E) = ,

onde f( E) é a função de dist ribuição de Ferm i- Dirac dada por:

1 e

1 )

E (

f ₍_E _E ₎_kT

f +

= ₋

Na prim eira equação, N( E) é a densidade de níveis ocupados, Z( E) é a densidade de

est ados possíveis, e E é o nível de Ferm i, ou pot encial quím ico. Na t em perat ura de zero _f

absolut o, t odos os níveis abaixo de E est ão com plet am ent e preenchidos, e aqueles _f

acim a E est ão com plet am ent e vazios. Nest a t em perat ura, os elét rons ocupam a faixa de f

energia m ais baixa, cham ada banda de valência. Para t em perat uras superiores, alguns elét rons podem ser excit ados, at ravessando a banda proibida e localizando- se num a região de energia m ais alt a, cham ada banda de condução. A probabilidade de ist o ocorrer aum ent a com a t em perat ura e depende fort em ent e da largura da banda proibida. Os m at eriais nos quais a largura da banda proibida é pequena são cham ados sem icondut ores. Um exem plo é o silício, um sólido com um a est rut ura do t ipo diam ant e, m as com um a banda proibida de som ent e 1eV de largura. Trat a- se de um condut or razoável à t em perat ura am bient e, em bora sej a um isolant e a baixas t em perat uras. Por out ro lado, o int ervalo de energia ent re as bandas perm it idas, valência ( cheia) e condução ( vazia) , no diam ant e, é de cerca de 7eV. O diam ant e, port ant o, será um isolant e m esm o a t em perat uras relat ivam ent e alt as.

(34)

18

perfeit o ( est ados m et aest áveis) . Os níveis de energia int roduzidos na banda proibida podem ser discret os ou form ar um a dist ribuição, dependendo da nat ureza dos defeit os e das caract eríst icas da rede. Um elét ron liberado da banda de valência e que est ej a se deslocando at ravés da rede crist alina pode ser at raído pelo pot encial coulom biano criado por um desses defeit os a ser arm adilhado ( capt urado) . Um raciocínio sem elhant e pode ser feit o a respeit o do arm adilham ent o de buracos ( vacâncias de elét rons) ( Figura I I - 2) .

A fosforescência em geral ocorre devido à ocupação/ desocupação de est ados m et aest áveis e isso explica o “ t em po de vida” do elét ron no est ado ser dependent e da t em perat ura.

Figura II-2. Representação da estrutura de bandas nos sólidos, mostrando as bandas de condução e valência, separadas pela banda proibida. São também mostrados os níveis de energia permitidos, localizados na banda proibida (metaestáveis).

Um a caract eríst ica de t odo processo de lum inescência, incluindo- se a t erm olum inescência, é a alt eração nas populações dos est ados elet rônicos em decorrência das t ransições de um est ado de energia para out ro. A Figura I I - 3 apresent a algum as t ransições possíveis para elét rons e buracos. A t ransição (a) corresponde a excit ação de um elét ron de um át om o da rede desde a banda de valência at é a banda de condução. Essa t ransição corresponde a um a ionização e é o result ado da absorção de energia provenient e de um a font e ext erna. Para cada elét ron livre na banda de condução corresponde um buraco na banda de valência, ou sej a, a ionização cria pares elét ron-buraco, os quais podem se locom over no crist al at é serem capt urados por um cent ro de

defeit o. O arm adilham ent o dos elét rons é represent ado pela t ransição (b) e o

arm adilham ent o dos buracos pela t ransição (e) . Os elét rons e buracos arm adilhados podem ser liberados at ravés de excit ação t érm ica, t ransições (c) e (f) , ficando m ais um a vez livres para se m overem at ravés do crist al. Out ra opção para os elét rons ( ou buracos) livres é recom binar- se com port adores de cargas de sinais opost os, sej a diret am ent e, com o no caso da t ransição (h) ou indiret am ent e com o no caso das t ransições (d) e (g) ,

banda de condução - BC

banda de valência - BV centro de buracos

centro de elétrons

(35)

19 em que há recom binação com um port ador previam ent e arm adilhado. A est rut ura na qual ocorre a recom binação é cham ada cent ro de recom binação. Pode- se fazer um a dist inção ent re os cent ros de recom binação e as arm adilhas sim ples. Nos cent ros de recom binação o t em po de vida perm anece grande durant e o aquecim ent o, enquant o que no caso das arm adilhas esse t em po se t orna m uit o pequeno com o aquecim ent o, provocando a liberação do port ador de carga arm adilhado.

Figura II-3. Transições eletrônicas mais comuns em isolantes e semicondutores. (a) ionização; (b) e (e) armadilhamento de elétrons e buracos, respectivamente; (c) e (f) liberação de elétrons e buracos; (d) e (g) recombinação indireta; (h) recombinação direta.

Em m uit os m at eriais as t ransições ent re os cent ros acont ecem diret am ent e sem que os elét rons passem pela banda de condução ou os buracos pela banda de valência. A Figura I I - 4 apresent a esse t ipo de t ransição. A recom binação diret a (i) do t ipo descrit o na Figura I I - 4 pode ocorrer nos casos em que os níveis A e B são de um át om o ou os níveis

A e B não são de um m esm o át om o, m as os defeit os responsáveis pelos níveis est ão sit uados em pont os da rede próxim os um do out ro ( algum as poucas const ant es de rede) . A t ransição ocorre por t unelam ent o. A Figura I I - 4 m ost ra m ais um a alt ernat iva (j) , na qual o elét ron inicialm ent e no nível C é excit ado para o nível A ant es de ocorrer a t ransição (k) . Essa excit ação, no caso da TL, é produzida pelo aquecim ent o. Um a consequência do fat o de que a t ransição elet rônica não envolve a passagem pela banda de condução é que ela não provoca nenhum a m udança na condut ividade do m at erial.

A recom binação pode liberar energia at ravés da criação de fônons ( t ransição não-radiat iva) ou at ravés da em issão de fót ons ( t ransição não-radiat iva) . A eficiência da lum inescência (η) de um “ fósforo” pode ser definida em função das probabilidades de t ransição:

) P P (

P

nr r

r + = η

(e)

(g)

(a) (h)

(f)

(b) (c)

(d)

BC

(36)

20

onde P é a probabilidade de t ransição radiat iva e _r P é a probabilidade de t ransição não-_nr

radiat iva. Essa eficiência pode variar com a t em perat ura.

A

B

C A

(k)

(i) (j)

BC

BV

Figura II-4. Transições eletrônicas que não envolvem passagem de elétrons pela banda de condução.

Quando um a recom binação result a diret am ent e na em issão de luz ( t ransição radiat iva) cham am os o cent ro no qual ocorre essa recom binação de cent ro de lum inescência. É essa em issão de luz, decorrent e diret a ou indiret am ent e da recom binação e que acont ece durant e o aquecim ent o, que é observada nas m edidas TL.

Pode- se port ant o ordenar o processo de em issão TL em quat ro et apas ( Figura I I - 5) : ( a) geração de cargas livres;

( b) capt ura de cargas livres;

( c) liberação de cargas arm adilhadas; ( d) recom binação e em issão lum inosa.

Figura II-5. Ilustração esquemática do processo de termoluminescência destacando as transições que ocorrem durante a irradiação e durante o aquecimento.

BC

BV

aquecimento irradiação

TL TL

(a)

(b) (c)

(37)

21

I I - 2.3. Medidas Típicas

Curva de Em issão

Durant e as m edidas de um processo t erm icam ent e est im ulado, a am ost ra é aquecida de um a m aneira cont rolada e cert as propriedades físicas são cont inuam ent e m onit oradas. No caso da t erm olum inescência, a propriedade física m onit orada é a luz em it ida. É com um m edir- se a int ensidade lum inosa em função da t em perat ura ou do t em po de aquecim ent o. O gráfico da int ensidade TL em função da t em perat ura é cham ado curva de em issão TL. A curva de em issão TL do LiF, um dos m at eriais t erm olum inescent es m ais est udados, é m ost rada na Figura I I - 6.

Figura II-6. Curva de emissão TL do LiF com impurezas de Mg e Ti (McKeever, 1985).

À m edida que a t em perat ura aum ent a, aum ent a t am bém a probabilidade de escape dos elét rons arm adilhados a um a cert a profundidade. Durant e o aquecim ent o cert a fração dos port adores de cargas, elét rons ou buracos, liberados encont ram os cent ros de lum inescência. A int ensidade lum inosa aum ent a at é um m áxim o e em seguida decai devido ao decréscim o da população de port adores arm adilhados. A relação ent re a int ensidade lum inosa (I) e o núm ero de port adores de carga (n) arm adilhados é m ost rada esquem at icam ent e na Figura I I - 7.

(38)

22

Se o crist al cont iver arm adilhas em várias profundidades ent ão esse processo se repet irá. Cada profundidade de arm adilha é relacionada com um pico de luz ao qual associam os um a energia de at ivação ( E) . A área sob a curva de em issão est á relacionada com a quant idade de port adores inicialm ent e arm adilhados. No caso da Figura I I - 6, quat ro picos TL são m ost rados ( 2- 5) , indicando que quat ro diferent es t ipos de arm adilhas são at ivadas nest a faixa de t em perat ura, cada qual com sua energia de at ivação ( E) . A área sob cada um dos picos est á relacionada com o núm ero de arm adilhas preenchidas, que por sua vez est á relacionado com a som a de energia inicialm ent e absorvida pela am ost ra.

Espectro de Em issão

Out ra m edida que cost um a ser feit a é a do espect ro de em issão TL para um a dada t em perat ura, ist o é, o gráfico da int ensidade TL em função do com prim ent o de onda. O espect ro de em issão é obt ido m ant endo- se a t em perat ura da am ost ra const ant e em um valor ligeiram ent e abaixo da t em perat ura de m áxim o e realizando- se um a varredura em com prim ent os de onda. A curva de em issão lim it ada a um único com prim ent o de onda é cham ada curva de em issão m onocrom át ica. Se for considerado que um cert o com prim ent o de onda est á vinculado a um det erm inado cent ro de lum inescência, ent ão o est udo da curva de em issão m onocrom át ica pode fornecer inform ações sobre esse cent ro.

Um a m edida m ais inform at iva é obt ida quando represent am os a int ensidade t erm olum inescent e sim ult aneam ent e com o função da t em perat ura e do com prim ent o de onda, const ruindo um gráfico t ridim ensional com o o da Figura I I - 8.

(39)

23

I I - 2.4. Modelo TL

Em bora a m aioria das sit uações experim ent ais envolva a superposição de dois ou m ais picos, é apropriado iniciar o est udo da em issão TL com um único pico para facilit ar o ent endim ent o das bases do processo. Assim , não é necessário que a curva de em issão TL apresent e um único pico, m as a análise pode ser válida desde que os picos est ej am suficient em ent e separados um do out ro devido a serem originariam ent e separados, ou porque dispõe- se de m ét odos eficient es para isolar um deles do rest ant e da curva. Em out ras palavras, será considerado o caso em que um único t ipo de arm adilha fornece elét rons que vão se recom binar em um único t ipo de cent ro de buracos, result ando na em issão de luz.

Modelo de Randall- Wilkins

Publicado em 1945, o m odelo de Randall- Wilkins propõe- se a represent ar o com port am ent o de um pico de luz durant e o processo t erm olum inescent e. Esse m odelo supõe a exist ência de arm adilhas na banda proibida responsáveis pela capt ura de elét rons ou buracos. Após a ionização provocada pela irradiação, n elét rons ocupam as

arm adilhas de elét rons do m esm o m odo que n buracos, as arm adilhas de buracos.

Durant e o aquecim ent o os elét rons são liberados de suas arm adilhas. Para que um elét ron ( ou buraco) sej a liberado da arm adilha é necessário que sej a fornecido ao m esm o um a cert a quant idade de energia, cham ada energia de at ivação ( E) . Essa energia est á

relacionada com a profundidade da arm adilha. Por hipót ese, a probabilidade de

recapt urar os elét rons pelas próprias arm adilhas é desprezível e o t em po de vida na banda de condução é pequeno perm it indo aos elét rons encont rarem rapidam ent e os cent ros de lum inescência provocando a liberação da luz.

Os elét rons nas arm adilhas apresent am um a dist ribuição m axwelliana de energias e, assim , a probabilidade por unidade de t em po de que um elét ron escape de um a arm adilha de profundidade E, a um a det erm inada t em perat ura T, é dada por:

kT E e . s

p = − ( 1)

onde k é a const ant e de Bolt zm ann e s é o fat or de frequência da vibração da rede. É sabido que na m aioria dos m at eriais TL esse fat or varia pouco com a t em perat ura podendo ser considerado const ant e. O valor de s é da ordem de grandeza da frequência de vibração da rede crist alina, 108_{a 10}15_s- 1_.

(40)

24

ocupadas num det erm inado inst ant e t e t em perat ura T, ent ão a int ensidade lum inosa é dada por:

dt dn C

I = − ( 2)

onde C é um fat or de proporcionalidade que pode ser dim ensionado.

Com o a razão de esvaziam ent o é proporcional ao núm ero de elét rons arm adilhados, t em os:

pn dt

dn ₌ ₋ _{( 3)}

Quando supom os a t axa de aquecim ent o β const ant e t em os:

T = T₀ +βt , sendo:

dt dT

=

β ( 4)

onde: ) 0 t ( T

T₀ = =

Agora, ret ornando a equação ( 3) e subst it uindo dt por

β

dT _{t em os:}

β = pn dT dn kT / E se dT n dn ₋ β − =

( )

_∫

− β − = T T kT / E t 0 o ' ' dT e s n ln

fazendo n₀ =n

(

t =0

)

, t em os:

∫

− β − = T T ' kT / E 0 o ' dT e s n n

ln ( 5)

        β − =

∫

− T T kT / E 0 o ' dT e s exp n

n ( 6)

Ret ornando a equação ( 2) , t em os:

(

pn

)

Cpn C

dt dn C

(41)

25 e subst it uindo p e n pelas expressões ( 1) e ( 6) result a:

( )

        β − = −

∫

− T To ' kT / E kT / E

0 e dT'

s exp e . s Cn T

I ( 7)

A const ant e C pode ser considerada igual a 1 sem perda de generalidade. Verifica- se que a int ensidade I ( T) varia com a t em perat ura de form a a alcançar um m áxim o num valor

part icular T e em seguida decrescer. Podem os obt er a seguint e relação quando _m

consideram os o pont o de m áxim a int ensidade fazendo:

0 dT dI m T T = =

que result a em :

E/kTm 2 m e s kT E − β

= ( 8)

Conform e podem os verificar pela equação ( 3) a t axa de esvaziam ent o, nesse m odelo, varia com a prim eira pot ência do núm ero de port adores arm adilhados, daí é dit o t rat ar-se de um processo que obedece à cinét ica de prim eira ordem .

A Figura I I - 9 apresent a um a curva de em issão calculada at ravés do m odelo de Randall- Wilkins.

250 300 350 400 450 500 550

0 5 10 15 20 25 30 In te n si d a d e T L (u n id . a rb .)

Tem perat ura ( K)

Figura II-9. Representação esquemática das curvas de emissão calculadas a partir do modelo de Randall-Wilkins.

No caso part icular da cinét ica de prim eira ordem a concent ração inicial de port adores n ₀

(42)

26

proporção. Um a consequência desse fat o é que a posição da t em perat ura de m áxim o não depende da concent ração inicial n , m as por out ro lado a área t ot al sob a curva é 0

proporcional ao núm ero inicial de elét rons arm adilhados. Assim , quando se isola o β na

equação ( 8) t em os:

     −       = β kT E exp T E sk 2 m

onde o t erm o T2 exp

(

EkT

)

m − é m onot onicam ent e crescent e com T , donde se conclui m

que um aum ent o na t axa de aquecim ent o result a num deslocam ent o de T para valores _m

m ais alt os.

Para um a dada t axa de aquecim ent o β, T cam inha na direção das t em perat uras _m

m ais alt as com o increm ent o de E e a dim inuição de s.

É im port ant e ressalt ar que exist em out ros m odelos ( Garlick- Gibson- 2ª ordem , et c.) para os picos que apresent am cinét ica de ordem superior, ou m esm o que não obedecem ao conceit o de “ ordem de cinét ica” ( Yukihara, 2001) . Est a descrição se lim it ou ao m odelo para picos de 1ª ordem ( m odelo m ais sim ples) , pois esses picos ocorrem frequent em ent e nos m at eriais t erm olum inescent es.

O com port am ent o das curvas de em issão TL ( m odelo de Randall- Wilkins) com a variação dos parâm et ros ( E, s, β, n ) é observado Figura I I - 10: ₀

50 100 150 200 250 300 350

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 (a)

E = 1,6 eV E = 1,4 eV

E = 1,2 eV E = 1,0 eV

T

L (unid

. arb.

)

Temperature (ºC)

(43)

27

50 100 150 200 250 300 350

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 (b)

s = 1013 s-1

s = 1012 s-1

s = 1011 s-1

T L (un id. ar b. ) Temperatura (ºC)

50 100 150 200 250 300 350

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 _(c)

β = 10ºC/s

β = 1ºC/s

β = 0,1ºC/s

β = 0,01ºC/s

T

L (unid

. arb.

)

Temperatura (ºC)

50 100 150 200 250 300 350

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 (d) 0.25n 0 0.75n 0 0.5n 0 1n 0 T L ( unid . ar b. ) Temperature (ºC)

(44)

28

I I - 2.5. Algum as Aplicações

Dosim et ria

A part ir do conhecim ent o dos processos de em issão TL por volt a das décadas de 40 e 50, com eçaram a surgir várias aplicações do fenôm eno de t erm olum inescência.

Em 1953 Daniels e colaboradores publicaram um art igo ( Daniels et al., 1953) no qual discut iam as possibilidades de aplicação da t erm olum inescência, ent re elas à dosim et ria de radiação. Eles observaram que alguns m at eriais apresent avam um a int ensidade TL proporcional à dose absorvida de radiação. Nesse m esm o ano surgiu a prim eira aplicação prát ica da dosim et ria t erm olum inescent e, quando o crist al de LiF foi ut ilizado para m edir as doses de radiação provenient es dos t est es da bom ba at ôm ica.

Dent re as diversas aplicações prát icas da dosim et ria de radiação, dest acam - se a dosim et ria pessoal ( m onit oração de t rabalhadores com radiação) , a dosim et ria am bient al ( m onit oração das doses provenient es de elem ent os radioat ivos nat urais/ art ificiais) e a dosim et ria m édica ( m onit oração de pacient es subm et idos a diagnóst ico/ t rat am ent o com radiação ionizant e) .

Algum as propriedades dos m at eriais t erm olum inescent es ut ilizados na dosim et ria de radiação precisam ser m uit o bem conhecidas: linearidade, faixa de respost a à dose, respost a com a energia da radiação, reprodut ibilidade, est abilidade, efeit os am bient ais na sensibilidade dos dosím et ros e out ras. Dent re os m at eriais m ais ut ilizados, dest acam -se o LiF, CaSO4, CaF2, BeO, Li2B4O7 e o Al2O3.

Datação

Est a aplicação da t erm olum inescência t am bém foi sugerida por Daniels e colaboradores ( Daniels et al., 1953) . Eles sugeriam que a t erm olum inescência nat ural provenient e de rochas est á diret am ent e relacionada com a presença, nest es m at eriais, de elem ent os radioat ivos com o urânio, t ório e pot ássio. Est a radioat ividade result a no acúm ulo da cham ada dose “ geológica” . De um a form a sim ples, se a t axa de irradiação provenient e dos elem ent os radioat ivos é conhecida, a det erm inação da idade de um a am ost ra usando t erm olum inescência é dada pela relação:

) dose de t axa ( x ) dose de unidade por

TL (

nat ural TL

idade =

(45)

29 ( pot es de barro) encont radas em sít ios arqueológicos, o aquecim ent o das peças a alt as t em perat uras durant e seu processo de fabricação faz com que a TL sej a “ zerada” , ou sej a, a cerâm ica acum ulará um a dose absorvida que é proporcional a sua “ idade arqueológica” ( t em po decorrido desde a sua fabricação) . O m esm o raciocínio pode ser aplicado a form ações geológicas, ist o é, à lava. Além dessas aplicações, a dat ação t am bém pode ser aplicada na det erm inação da idade de depósit os sedim ent ares ( sedim ent os oceânicos, est alagm it es) , onde a form ação inicial não envolve alt as t em perat uras.

Defeitos em Sólidos

A presença de defeit os ext rínsicos ( im purezas) e int rínsecos ( Frenkel e Schot t ky) nos m at eriais afet a diret am ent e a sua em issão t erm olum inescent e. Por esse m ot ivo a t erm olum inescência t am bém t em sido ut ilizada no est udo de defeit os em crist ais.

As inform ações obt idas com a t erm olum inescência, por si só, podem não ser suficient es para caract erizar t ot alm ent e a est rut ura dos defeit os present es no m at erial. Norm alm ent e são necessárias t écnicas alt ernat ivas com o absorção ópt ica ( AO) , ressonância param agnét ica elet rônica ( EPR) , condut ividade iônica, fot ocondut ividade, et c., para com plem ent ar as inform ações obt idas com a TL ( Yukihara, 2001) . Nesse sent ido, a int erpret ação física e a correlação das inform ações obt idas com as diversas t écnicas não é fácil e diret a.

Os halet os alcalinos, em part icular, possuem grande part e dos seus processos t erm olum inescent es bem caract erizados. I sso t em facilit ado sua ut ilização em aplicações com erciais ( dosim et ria pessoal) .

I I - 3 . Espect roscopia de Fót ons

I I - 3.1. Considerações Gerais

As caract eríst icas básicas de um espect ro elet rom agnét ico podem ser represent adas pela Figura I I - 11. Se a int ensidade da radiação em it ida por um a det erm inada font e for graficada em função do seu com prim ent o de onda, freqüência ou energia, o gráfico pode t er um a est rut ura cont ínua ( Figura I I 11.a) , um a linha ou est rut ura discret a ( Figura I I -11.b) ou um a com binação dessas duas ( Figura I I - 11.c) .

(46)

30

Out ro efeit o que pode levar ao espect ro cont ínuo é a desaceleração sofrida por elét rons incident es num m at erial, cham ada de radiação de fream ent o (brem sst rahlung) . Em espect ros com o os da Figura I I - 11, vários parâm et ros podem ser de int eresse:

- valores de abscissa, represent ando a energia do fót on; - largura das linhas discret as;

- am plit udes dessas linhas;

- dist ribuição de am plit udes no espect ro cont ínuo.

Figura II-11. Exemplos típicos de espectros eletromagnéticos. (a) espectro contínuo; (b) espectro discreto; (c) combinação de componentes discretas e contínuas.

Algum as dist orções, devido às caract eríst icas do sist em a de det ecção ( resolução, eficiência, et c.) e ao produt o da int eração da radiação com o det ect or, podem result ar em diferenças ent re o espect ro “ verdadeiro” e o espect ro m edido. A espect roscopia consist e em int erpret ar corret am ent e o espect ro observado, para perm it ir a ext ração de inform ações a respeit o das caract eríst icas do espect ro originalm ent e em it ido pela font e de radiação.

I I - 3.2. Histórico

O processo de det ecção da radiação t eve início com a ut ilização de placas fot ográficas por volt a de 1896, logo após a descobert a dos raios X por Roent gen. Em seguida ( 1908) , vieram os cont adores proporcionais, que perm it iram m edidas m ais quant it at ivas, além da det erm inação inst ant ânea da presença de radiação. Mas o grande avanço veio com os det ect ores de cint ilação de NaI ( 1948) , que possibilit aram obt er não som ent e a quant idade de event os, m as t am bém o espect ro de fót ons para um a larga faixa de energia. Finalm ent e, por volt a de 1960, surgiram os m odernos det ect ores sem icondut ores. Est es det ect ores apresent aram um a resolução m uit o m elhor do que as dos det ect ores de NaI ( um fat or em t orno de 10 vezes) . Desde o sucesso inicial do det ect or sem icondut or de germ ânio ( Ge( Li) - 1962) , diferent es m at eriais sem icondut ores t êm sido pesquisados. Out ro det ect or sem icondut or, desenvolvido paralelam ent e ao Ge, foi o Si( Li) , aplicado na m edida de espect ros de fót ons de baixa energia. A m aior desvant agem dos det ect ores sem icondut ores, com o Ge( Li) , é a necessidade de m ant ê- los

E NE

(a)

E NE

(b)

E

(47)

31 e operá- los a baixas t em perat uras, norm alm ent e de nit rogênio líquido. Com o advent o do Ge hiper- puro ( 1972) , o resfriam ent o só passou a ser necessário durant e a operação do det ect or.

O sucesso dos det ect ores de silício e germ ânio levou ao desenvolvim ent o de det ect ores sim ilares ( 1980) , m as com m at eriais de núm ero at ôm ico m aior. Dent ro desse t ipo de det ect or sem icondut or enquadram - se o GaAs, CdTe e o HgI2, que possuem com o

m aior vant agem o fat o de operarem à t em perat ura am bient e.

I I - 3.3. Processo de Det ecção de Fót ons

O result ado diret o de um a m edida espect roscópica é um a dist ribuição de alt uras de pulsos, e não um espect ro ( dist ribuição de energias) de fót ons. Para que a dist ribuição inicial sej a obt ida e convert ida em espect ro de fót ons são necessários alguns processos. Esses processos envolvem desde conversão da energia do fót on incident e num pulso elét rico e seu regist ro, ut ilizando para isso um a elet rônica associada ao det ect or, at é a m edida de um espect ro de font e conhecida ( calibração) .