10.8: Aplicações médicas e efeitos biológicos da radiação nuclear
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Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva dois usos médicos da tecnologia nuclear
- Explicar a origem dos efeitos biológicos causados pela radiação nuclear
- Listar fontes comuns de radiação e seus efeitos
- Estime a exposição à radiação nuclear usando unidades de dosagem comuns
A física nuclear é parte integrante de nossa vida cotidiana (Figura\(\PageIndex{1}\)). Compostos radioativos são usados para identificar câncer, estudar artefatos antigos e alimentar nossas cidades. A fusão nuclear também alimenta o Sol, a principal fonte de energia na Terra. O foco deste capítulo é a radiação nuclear. Nesta seção, fazemos perguntas como: Como a radiação nuclear é usada para beneficiar a sociedade? Quais são seus riscos à saúde? A quanta radiação nuclear uma pessoa média é exposta ao longo da vida?
Aplicações médicas
O uso médico da radiação nuclear é bastante comum nos hospitais e clínicas atuais. Um dos usos mais importantes da radiação nuclear é a localização e o estudo do tecido doente. Esta aplicação requer um medicamento especial chamado radiofármaco. Um radiofármaco contém um isótopo radioativo instável. Quando a droga entra no corpo, ela tende a se concentrar nas regiões inflamadas do corpo. (Lembre-se de que a interação da droga com o corpo não depende da substituição de um determinado núcleo por um de seus isótopos, pois essa interação é determinada por interações químicas.) Os detectores de radiação usados fora do corpo usam radiação nuclear dos radioisótopos para localizar o tecido doente. Os radiofármacos são chamados de marcadores radioativos porque permitem que os médicos rastreiem o movimento dos medicamentos no corpo. Os marcadores radioativos têm vários propósitos, incluindo a identificação de células cancerosas nos ossos, tumores cerebrais e doença de Alzheimer (Figura\(\PageIndex{2}\)). Os marcadores radioativos também são usados para monitorar a função dos órgãos do corpo, como fluxo sanguíneo, atividade do músculo cardíaco e absorção de iodo na glândula tireoidea.
A tabela\(\PageIndex{1}\) lista alguns usos de radiofármacos em diagnóstico médico, incluindo isótopos e níveis típicos de atividade (A). Um teste diagnóstico comum usa iodo para obter imagens da tireoide, já que o iodo está concentrado nesse órgão. Outro diagnóstico nuclear comum é o exame de tálio para o sistema cardiovascular, que revela bloqueios nas artérias coronárias e examina a atividade cardíaca. O sal TLCl pode ser usado porque age como NaCl e segue o sangue. Observe que a Tabela\(\PageIndex{1}\) lista muitos usos de diagnóstico para\(^{99m}Tc\), onde “m” significa um estado metaestável do núcleo de tecnécio. Esse isótopo é usado em muitos compostos para obter imagens do esqueleto, coração, pulmões e rins. Quase\(80\%\) todos os radiofármacos são empregados\(^{99m}Tc\) porque produzem um único\(\gamma\) raio de 0,142 MeV, facilmente identificado, e têm uma meia-vida curta de 6,0 h, o que reduz a exposição à radiação.
| Procedimento, isótopo | Atividade (mCi), onde\(1mCi = 3.7 \times 10^7 Bq\) | Procedimento, isótopo | Atividade (mCi), onde\(1mCi = 3.7 \times 10^7 Bq\) |
|---|---|---|---|
| \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” rowspan="1" style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947"> Varredura cerebral | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” rowspan="1" style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947"> Tomografia da tireoide | ||
| \(^{99m}Tc\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">7.5 | \(^{131}I\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">0.05 |
| \(^{15}O (PET)\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">50 | \(^{123}I\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">0,07 |
| Tomografia pulmonar | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947"> | Exame hepático | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947"> |
| \(^{133}Xe\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">7.5 | \(^{198}Au\)colóide | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">0.1 |
| \(^{99m}Tc\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">2 | \(^{99m}Tc\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">2 |
| \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” rowspan="1" style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947"> Poça de sangue cardiovascular | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” rowspan="1" style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947"> Varredura óssea | ||
| \(^{131}I\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">0.2 | \(^{85}Sr\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">0.1 |
| \(^{99m}Tc\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">2 | \(^{99m}Tc\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">10 |
| \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” rowspan="1" style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947"> Fluxo arterial cardiovascular | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” rowspan="1" style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947"> Tomografia renal | ||
| \(^{201}Tl\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">3 | \(^{197}Hg\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">0.1 |
| \(^{24}Na\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">7.5 | \(^{99m}Tc\) | \ (1mCi = 3,7\ times 10^7 Bq\)” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4947">1.5 |
Usos diagnósticos de radiofármacos
Os primeiros detectores de radiação produziram imagens bidimensionais, como uma foto tirada de uma câmera. No entanto, uma matriz circular de detectores que podem ser girados pode ser usada para produzir imagens tridimensionais. Essa técnica é semelhante à usada em exames de tomografia computadorizada (TC) de raios-X. Uma aplicação dessa técnica é chamada de TC de emissão única de fóton (SPECT) (Figura\(\PageIndex{3}\)). A resolução espacial dessa técnica é de cerca de 1 cm.
A resolução de imagem aprimorada é obtida por meio de uma técnica conhecida como tomografia por emissão de pósitrons (PET). Essa técnica usa radioisótopos que decaem por\(\beta^+\) radiação. Quando um pósitron encontra um elétron, essas partículas se aniquilam para produzir dois fótons de raios gama. Essa reação é representada por
\[e^+ + e^- \rightarrow 2\gamma. \nonumber \]
Esses fótons de\(\gamma\) raios X têm energias idênticas de 0,511 MeV e se afastam diretamente um do outro (Figura\(\PageIndex{4}\)). Essa assinatura de decaimento facilmente identificada pode ser usada para identificar a localização do isótopo radioativo. Exemplos\(\beta^+\) de isótopos emissores usados no PET incluem\(^{11}C\)\({13}N\),\(^{15}O\),,\(^{18}F\) e. Os núcleos têm a vantagem de serem capazes de funcionar como marcadores para compostos naturais do corpo. Sua resolução de 0,5 cm é melhor que a do SPECT.
Os exames PET são especialmente úteis para examinar a anatomia e a função do cérebro. Por exemplo, exames PET podem ser usados para monitorar o uso de oxigênio e água pelo cérebro, identificar regiões de metabolismo diminuído (ligadas à doença de Alzheimer) e localizar diferentes partes do cérebro responsáveis pela visão, fala e atividade motora fina
É um tumor? Veja uma animação de ressonância magnética simplificada (MRI) para ver se você sabe. Sua cabeça está cheia de pequenos transmissores de rádio (os spins nucleares dos núcleos de hidrogênio de suas moléculas de água). Em uma unidade de ressonância magnética, esses pequenos rádios podem ser feitos para transmitir suas posições, fornecendo uma imagem detalhada do interior da sua cabeça.
Efeitos biológicos
A radiação nuclear pode ter efeitos positivos e negativos nos sistemas biológicos. No entanto, também pode ser usado para tratar e até curar o câncer. Como entendemos esses efeitos? Para responder a essa pergunta, considere as moléculas dentro das células, particularmente as moléculas de DNA.
As células têm moléculas de DNA longas e de dupla hélice contendo códigos químicos que governam a função e os processos da célula. A radiação nuclear pode alterar as características estruturais da cadeia de DNA, levando a mudanças no código genético. Nas células humanas, podemos ter até um milhão de casos individuais de danos ao DNA por célula por dia. O DNA contém códigos que verificam se o DNA está danificado e se pode se reparar sozinho. Essa capacidade de reparo do DNA é vital para manter a integridade do código genético e para o funcionamento normal de todo o organismo. Ele deve estar constantemente ativo e precisa responder rapidamente. A taxa de reparo do DNA depende de vários fatores, como o tipo e a idade da célula. Se a radiação nuclear danificar a capacidade da célula de reparar o DNA, a célula pode
- Recuar para um estado irreversível de dormência (conhecido como senescência);
- Cometer suicídio (conhecido como morte celular programada); ou
- Progresso na divisão celular não regulamentada, possivelmente levando a tumores e cânceres.
A radiação nuclear também pode prejudicar o corpo humano de muitas outras formas. Por exemplo, altas doses de radiação nuclear podem causar queimaduras e até queda de cabelo.
Os efeitos biológicos da radiação nuclear são expressos por muitas quantidades físicas diferentes e em muitas unidades diferentes. Uma unidade comum para expressar os efeitos biológicos da radiação nuclear é o rad ou unidade de dose de radiação. Um rad é igual a 1/100 de um joule de energia nuclear depositada por quilograma de tecido, escrito:
\[1 \, rad = 0.01 \, J/kg. \nonumber \]
Por exemplo, se uma pessoa de 50,0 kg é exposta à radiação nuclear em todo o corpo e ela absorve 1,00 J, então sua dose de radiação de corpo inteiro é
\[(1.00 \, J)/(50.0 \, kg) = 0.0200 \, J/kg = 2.00 \, rad. \nonumber \]
A radiação nuclear danifica as células ao ionizar átomos nas células à medida que elas passam pelas células (Figura\(\PageIndex{5}\)). Os efeitos da radiação ionizante dependem da dose nos rads, mas também do tipo de radiação (alfa, beta, gama ou raio-X) e do tipo de tecido. Por exemplo, se o alcance da radiação for pequeno, como no caso dos\(\alpha\) raios, a ionização e os danos criados são mais concentrados e difíceis de serem reparados pelo organismo. Para explicar esses efeitos, definimos a eficácia biológica relativa (RBE). Os valores de RBE da amostra para vários tipos de radiação nuclear ionizante são fornecidos na Tabela\(\PageIndex{2}\).
| Tipo e energia da radiação | TUBO [1] |
|---|---|
| Raios-X | 1 |
| \(\gamma\)-raios | 1 |
| \(\beta\)raios maiores que 32 keV | 1 |
| \(\beta\)raios inferiores a 32 keV | 1.7 |
| Nêutrons, térmicos a lentos (<20 keV) | 2 - 5 |
| Nêutrons rápidos (1—10 MeV) | 10 (corpo), 32 (olhos) |
| Prótons (1—10 MeV) | 10 (corpo), 32 (olhos) |
| raios de decaimento radioativo | 10—20 |
| Íons pesados de aceleradores | 10—20 |
| [1] Valores aproximados. Difícil de determinar. | |
Uma unidade de dose mais estreitamente relacionada aos efeitos no tecido biológico é chamada de homem equivalente de roentgen (rem) e é definida como sendo a dose (em rads) multiplicada pela eficácia biológica relativa (RBE). Assim, se uma pessoa tivesse uma dose de 2,00 rad de\(\gamma\) radiação para todo o corpo, a dose em rem seria\((2.00 \, rad)(1) = 2.00\) rem para todo o corpo. Se a pessoa tivesse uma dose de 2,00 rad de\(\alpha\) radiação para todo o corpo, a dose em rem seria\((2.00 \, rad)(20) = 40.0\) rem para todo o corpo. Os\(\alpha\) raios teriam 20 vezes o efeito na pessoa do que os\(\gamma\) raios da mesma energia depositada. O equivalente SI do rem, e o termo mais padrão, é o sievert (Sv) é
\[1 \, Sv = 100 \, rem. \nonumber \]
Os RBEs fornecidos na Tabela\(\PageIndex{3}\) são aproximados, mas refletem uma compreensão da radiação nuclear e sua interação com o tecido vivo. Por exemplo, sabe-se que os nêutrons causam mais danos do que\(\gamma\) os raios, embora ambos sejam neutros e tenham grandes alcances, devido à radiação secundária. Qualquer dose menor que 100 mSv (10 rem) é chamada de dose baixa, 0,1 Sv a 1 Sv (10 a 100 rem) é chamada de dose moderada e qualquer dose maior que 1 Sv (100 rem) é chamada de dose alta. É difícil determinar se uma pessoa foi exposta a menos de 10 mSv.
Os efeitos biológicos de diferentes níveis de radiação nuclear no corpo humano são apresentados na Tabela.\(\PageIndex{3}\) A primeira pista de que uma pessoa foi exposta à radiação é uma alteração no hemograma, o que não é surpreendente, pois as células sanguíneas são as que se reproduzem mais rapidamente no corpo. Em doses mais altas, observam-se náuseas e queda de cabelo, o que pode ser devido à interferência na reprodução celular. As células do revestimento do sistema digestivo também se reproduzem rapidamente e sua destruição causa náuseas. Quando o crescimento das células ciliadas diminui, os folículos pilosos ficam finos e se rompem. Altas doses causam morte celular significativa em todos os sistemas, mas as doses mais baixas que causam fatalidades o fazem enfraquecendo o sistema imunológico por meio da perda de glóbulos brancos.
| Dose em Sv [1] | Efeito |
|---|---|
| 0—0,10 | Nenhum efeito observável. |
| 0,1—1 | Diminuição leve a moderada na contagem de glóbulos brancos. |
| 0,5 | Esterilidade temporária; 0,35 para mulheres, 0,50 para homens. |
| 1—2 | Redução significativa na contagem de células sanguíneas, náuseas e vômitos breves. Raramente fatal. |
| 2—5 | Náuseas, vômitos, queda de cabelo, danos graves no sangue, hemorragia, fatalidades. |
| 4.5 | Letal para a população dentro\(50\%\) de 32 dias após a exposição, se não for tratada. |
| 5—20 | Piores efeitos devido ao mau funcionamento do intestino delgado e do sistema sanguíneo. Sobrevivência limitada |
| >20 | Fatal em poucas horas devido ao colapso do sistema nervoso central. |
[1] Multiplique por 100 para obter a dose em rem.
Fontes de radiação
Os humanos também estão expostos a muitas fontes de radiação nuclear. Um resumo das doses médias de radiação para diferentes fontes por país é apresentado na Tabela\(\PageIndex{4}\). A Terra emite radiação devido aos isótopos de urânio, tório e potássio. Os níveis de radiação dessas fontes dependem da localização e podem variar em um fator de 10. Os fertilizantes contêm isótopos de potássio e urânio, que digerimos nos alimentos que comemos. Os fertilizantes têm mais de 3000 Bq/kg de radioatividade, em comparação com apenas 66 Bq/kg de carbono-14.
| Fonte | Dose (mSv/y) [1] | |||
|---|---|---|---|---|
| Austrália | Alemanha | NÓS | Mundo | |
| Radiação natural — externa | ||||
| Raios cósmicos | 0,30 | 0,28 | 0,30 | 0,39 |
| Solo, materiais de construção | 0,40 | 0,40 | 0,30 | 0,48 |
| Gás radônio | 0,90 | 1.1 | 2.0 | 1.2 |
| Radiação natural — interna | ||||
| \(^{40}K\),\({14}C\),\(^{226}Ra\) | 0,24 | 0,28 | 0,40 | 0,29 |
| Radiação artificial | ||||
| Médico e odontológico | 0,80 | 0,90 | 0,53 | 0,40 |
| TOTAL DE L | 2.6 | 3,0 | 3.5 | 2.8 |
| [1] Multiplique por 100 para obter doses em mrem/y. | ||||
As consultas médicas também são uma fonte de radiação nuclear. Uma amostra de doses comuns de radiação nuclear é dada na Tabela\(\PageIndex{5}\). Essas doses geralmente são baixas e podem ser reduzidas ainda mais com técnicas aprimoradas e detectores mais sensíveis. Com a possível exceção das radiografias dentárias de rotina, o uso médico da radiação nuclear é usado somente quando o risco-benefício é favorável. As radiografias de tórax fornecem as doses mais baixas — cerca de 0,1 mSv para o tecido afetado, com menos de\(5\%\) dispersão em tecidos que não são fotografados diretamente. Outros procedimentos de raio-X variam até cerca de 10 mSv em uma tomografia computadorizada e cerca de 5 mSv (0,5 rem) por radiografia dentária, novamente, ambos afetando apenas o tecido fotografado. Imagens médicas com radiofármacos fornecem doses que variam de 1 a 5 mSv, geralmente localizadas.
| Procedimento | Dose efetiva (mSv) |
|---|---|
| Peito | 0,02 |
| Dentário | 0,01 |
| Caveira | 0,07 |
| Perna | 0,02 |
| Mamografia | 0,40 |
| Enema de bário | 7.0 |
| GI superior | 3,0 |
| Cabeça de CT | 2.0 |
| CT do abdome | 10,0 |
O acidente de Chernobyl na Ucrânia (anteriormente na União Soviética) expôs a população circundante a uma grande quantidade de radiação por meio da decadência de\(^{137}Cs\). O nível inicial de radioatividade foi de aproximadamente\(A = 6.0 \, MCi\). Calcule a massa total de\(^{137}Cs\) envolvidos neste acidente.
Estratégia
O número total de núcleos, N, pode ser determinado a partir da meia-vida e atividade conhecidas de\(^{137}Cs\) (30,2 y). A massa pode ser calculada a partir de N usando o conceito de toupeira.
Solução
Resolver a equação\(A = \frac{0.693 \, N}{t_{1/2}}\) para N dá
\[N = \frac{At_{1/2}}{0.693}. \nonumber \]
Inserir os valores fornecidos gera
\[N = \frac{(6.0 \, MCi)(30.2\, y)}{0.693}. \nonumber \]
Para converter de curies em becquerels e anos em segundos, escrevemos
\[N = \frac{(6.0 \times 10^6 \, Ci)(3.7 \times 10^{10} Bq/Ci) (30.2 \, y)(3.16 \times 10^7 \, s/y)}{0.693} = 3.1 \times 10^{26} \nonumber \]
Uma toupeira de um nuclídeo\(^AX\) tem uma massa de A gramas, de modo que uma mol de\(^{137}Cs\) tem uma massa de 137 g. Uma toupeira tem\(6.02 \times 10^{23}\) núcleos. Assim, a massa de\(^{137}Cs\) liberados foi
\[m = \left(\frac{137 \, g}{6.02 \times 10^{23}\right)(3.1 \times 10^{26}) = 70 \times 10^3 \, g = 70 \, kg. \nonumber \]
Significância
A massa de\(\ce{^{137}Cs}\) pessoas envolvidas no acidente de Chernobyl é um material pequeno em comparação com a quantidade típica de combustível usada em um reator nuclear. No entanto, aproximadamente 250 pessoas foram internadas em hospitais locais imediatamente após o acidente e diagnosticadas como portadoras de síndrome aguda de radiação. Eles receberam dosagens de radiação externa entre 1 e 16 Sv. Referindo-se aos efeitos biológicos na Tabela\(\PageIndex{3}\), essas dosagens são extremamente perigosas. O número eventual de mortos é estimado em cerca de 4000 pessoas, principalmente devido ao câncer induzido por radiação.
A radiação se propaga em todas as direções a partir de sua fonte, assim como a radiação eletromagnética de uma lâmpada. O conceito de atividade é mais análogo à potência, intensidade ou brilho?
- Resposta
-
poder