APLICAÇÕES DE RADIAÇÃO
Agora você já tem uma boa noção do que é radiação e de como ela danifica o nosso DNA. Além disso, você também conhece os critérios de proteção radiológica e sabe como diminuir a intensidade de um feixe de radiação. Aqui mostraremos porque conhecer radiação é importante: há diversas APLICAÇÕES nas mais variadas áreas. Vamos entender como as radiações podem ser úteis para a sociedade.
DATAÇÃO RADIOMÉTRICA
É possível usar o decaimento radioativo para estimar a idade de artefatos arqueológicos e de minerais. Vimos no início da nossa jornada, que radioatividade é a emissão de radiação por núcleos instáveis encontrados na natureza. Como consequência da perda de carga e/ou massa, estes núcleos transformam-se em outros. Em um primeiro momento, isso pode assustar mas a radioatividade pode nos ajudar a determinar o tempo de eventos passados. Chamamos isso de RELÓGIO RADIOMÉTRICO.
Um exemplo de relógio radiométrico é o carbono 14. O carbono é encontrado na natureza, em grande parte, na forma de carbono 12, um núcleo estável. Porém, há também pequenas quantidades de carbono 14, instável. Esse carbono decorre da reação, ocorrida na atmosfera, de núcleos de nitrogênio com nêutrons de radiação cósmica, especialmente nêutrons oriundos da atividade solar (solar flares ou explosões solares, que ocorrem frequentemente no Sol). Essa reação nuclear entre o nitrogênio e o nêutron produz o carbono 14 na atmosfera a uma taxa constante. Constante porque a taxa com que é formado está em equilíbrio com a que ele desaparece, pelo fato de ser radioativo (com meia vida relativamente longa, da ordem de 5.700 anos). Assim as quantidades relativas de carbono 12 e 14 seja na atmosfera, seja nos organismos vivos, são aproximadamente constantes. Ao morrerem, no entanto, a assimilação de carbono (através da respiração) acaba e a quantidade do carbono radioativo, C-14, diminui em relação à de C-12.
Acontece que conhecemos o chamado TEMPO DE MEIA-VIDA do carbono 14, isto é, o tempo que uma quantidade de carbono 14 cai pela metade (5.730 anos). Conhecendo a razão atual de carbono 14 / 12, e esse tempo de meia-vida, é possível determinar a idade de um artefato orgânico, por exemplo. É muito importante ter em mente que um método de datação radioativa tem limitações. O método do C-14 precisa de matéria orgânica e só pode ser usado para idades não muito grandes comparadas com a sua meia-vida. Isso porque, como vimos, a cada 5.730 anos, a sua quantidade cai pela metade. Depois de 10 meias-vidas, 57.300 anos, a quantidade de átomos de C-14 fica dividida por 210 (1024). Por isso, esta técnica é útil para datar artefatos arqueológicos, mas não eventos geológicos. Se você quiser saber a idade da Terra, precisará de um relógio com meia-vida bem maior. Aliás, o material mais antigo já datado tem idade por volta de 4,3 bilhões de anos (Wilde et al., 2001). São alguns grãos de um mineral chamado zircão, encontrados no oeste da Austrália. O relógio utilizado foi o decaimento do U-238, um isótopo do urânio, que tem meia-vida de 4,5 bilhões de anos. Processos como esses recebem o nome de DATAÇÃO RADIOMÉTRICA.
REFERÊNCIA
Wilde, S. A., J. W. Valley, W. H. Peck and C. M. Graham (2001) Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature, v. 409, pp. 175–78.
RADIO ESTERILIZAÇÃO
Uma importante aplicação das radiações tem a ver, justamente, como o seu dano biológico Claro, este dano não é voltado para animais ou plantas, mas para agentes infecciosos.
A RADIOESTERILIZAÇÃO é o uso das radiações (ionizantes e não ionizantes) para inativar ou destruir agentes infecciosos. Trata-se de uma técnica eficiente e tem aplicação nas mais diversas áreas: desde a área da saúde até a indústria de alimentos.
Quando falamos de agentes infecciosos, nos referimos à vírus, bactérias, protozoários e até mesmo alguns fungos. Por se tratarem de agentes diferentes, de células diferentes (exceto o vírus, vírus não tem células), radiações diferentes são usadas. Desde radiações ionizantes, como raios gama e elétrons energéticos, a até mesmo radiações não ionizantes como raios ultravioleta.
É mais fácil imaginar a radioesterilização aplicada a instrumentos cirúrgicos e produtos farmacêuticos, mas alimentos e produtos agrícolas também podem ser irradiados. Nesses casos as doses utilizadas são muito maiores do que qualquer limite de dose. Existem três desses processos:
RADURIZAÇÃO: trata-se da irradiação para reduzir o número de organismos deteriorantes nos alimentos. São usadas doses mais baixas, na faixa de 750 Gy a 2.500 Gy. Essas doses são usadas para carnes vermelhas frescas, frango, vegetais e grãos, em conjunto com a refrigeração. Esse processo também pode ser usado em frutas e hortaliças para prevenir a deterioração por fungos e controlar infestações por insetos.
RADICIDAÇÃO: trata-se da irradiação para reduzir o número de patógenos até níveis tão baixos que não são detectáveis. É possível destruir parasitas com doses de 100 Gy a 1000 Gy. As doses usadas para patógenos como a Salmonela estão na faixa de 2.000 Gy a 8.000 Gy.
RADAPERTIZAÇÃO: Trata-se da irradiação de alimentos a doses altíssimas. Doses na faixa de 25.000 Gy a 40.000 Gy são suficientes para impedir a decomposição e a toxidade de origem microbiana de modo independente das condições de armazenamento. Os alimentos para os astronautas são tratados com esse processo.
Todos os alimentos que foram tratados com radiação são identificados com este símbolo verde. Ele é chamado de RADURA e é encontrado nas embalagens dos produtos.
As radiações não ionizantes também podem ser aplicadas na desinfecção de instrumentos cirúrgicos, produtos farmacêuticos e até mesmo de ambientes hospitalares. Neste aspecto destacamos o uso de radiações UV para esterilizar leitos com pacientes COVID. Embora não seja uma radiação capaz de ionizar os átomos do corpo humano, já vimos que a radiação UV pode fazer mal. E como as intensidades usadas no processo de radioesterilização são altíssimas, apenas os ambientes devem ser expostos. Para manter a segurança dos pacientes, alguns hospitais ao redor do mundo, como da Itália por exemplo, realizam radioesterilização assistida por robôs, como o mostrado na figura.
IRRADIAÇÃO PARA TRANSPLANTES
Você pode até não se lembrar das aulas de genética do colégio sobre os tipos sanguíneos, mas certamente já ouviu falar de transfusão de sangue, correto? Basicamente, quando uma pessoa perde muito sangue, ela pode receber sangue de outra pessoa, desde que seja COMPATÍVEL. A compatibilidade é uma forma de "prever" se o nosso sistema imunológico vai aceitar ou combater uma transfusão sanguínea ou um transplante de tecido ou órgão. É claro que isso não é tão simples, é necessário avaliar a superfície das células para ver se elas possuem proteínas sinalizadoras capazes de ativar, ou não o sistema imunológico. Se, por exemplo, um órgão transplantado possuir essas proteínas, o sistema imunológico é ativado e uma série de células de defesa, os LINFÓCITOS T, atacam esse "corpo estranho".
Mas... lembra que as radiações ionizantes conseguem danificar as células? Sim, é possível irradiar o sangue ou mesmo seus componentes isolados (soro, hemácias, plaquetas e leucócitos), para inativar os linfócitos T e facilitar alguns tratamentos. Um exemplo é o TRANSPLANTE DE MEDULA ÓSSEA, tratamento realizado em alguns casos de leucemias e linfomas.
A irradiação do sangue é realizada com fótons (raios X ou raios gama) e conforme o Ministério da Saúde, através da Portaria MS/GM no 158 de 04/02/2016, a dose recomendada para irradiação do sangue é 25 Gy.
DIAGNÓSTICO DE DOENÇAS COM RADIAÇÕES IONIZANTES
Uma das principais aplicações de radiações na medicina é o diagnóstico de doenças por exames de imagem. Existem diversos tipos de exames. Abordaremos um pouco as imagens médicas por raios X e raios gama, através dos seguintes exames:
RAIOS X: Radiografia e Tomografia Computadorizada (CT)
RAIOS GAMA: Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET)
RAIOS X
Você provavelmente já deve ter ouvido falar sobre raios X, já deve ter feito um exame de raios X e também deve ter visto uma imagem de raios X, certo? Se não viu, não se preocupe, nós mostraremos. Se já viu, você vai ver novamente, mas de um jeito muito mais interessante.
Já vimos que os raios X são uma forma de radiação ionizante, na forma de fótons (ondas eletromagnéticas). Essa radiação, diferente dos raios gama, é PRODUZIDA ARTIFICIALMENTE, nos tubos de raios X. Isso é importante! Porque, uma vez que o aparelho é desligado, ele deixa de emitir radiação. Vamos ver como esses tubos funcionam?
Os aparelhos de raios X que encontramos nas clínicas e nos hospitais utilizam tubos de raios X. Esses tubos são constituídos basicamente de alguns elementos (não se preocupe em decorar cada um deles).
O CÁTODO é um eletrodo mantido sob um potencial elétrico negativo. Nele há um FILAMENTO DE METAL que é aquecido e nisso muitos elétrons se desprendem. Esses elétrons são atraídos para o ÂNODO, um eletrodo positivo. Nele há um ALVO DE TUNGSTÊNIO, onde os elétrons são "convertidos" em raios X. Os eletrodos são envolvidos por uma AMPOLA DE VIDRO mantida sob vácuo, isto é, sem ar em seu interior.
O vácuo garante que o feixe de elétrons que se forma entre o filamento no cátodo e o alvo no ânodo não seja absorvido pelo ar, afinal, elétrons podem ser parados por camadas de ar, se lembra? Muito bem. Mas como é essa "conversão" de elétrons em fótons? Existem dois processos que podem acontecer e podem gerar raios X a partir de um elétron incidente. Em outras palavras, existem dois tipos de raios X:
RAIOS X DE FREAMENTO
São originados pela desaceleração dos elétrons incidentes em função da força elétrica. Lembra dela? Os elétrons emitidos pelo filamento são atraídos pelo campo elétrico dos núcleos do alvo de tungstênio e colidem com eles. Nessa colisão, os elétrons podem perder, de uma só vez, uma fração considerável de sua energia inicial (Okuno & Yoshimura, 2010), emitindo um fóton RAIO X DE FREAMENTO.
RAIOS X CARACTERÍSTICOS
Às vezes, os elétrons incidentes tem uma alta energia cinética. Eles podem "colidir" com elétrons das camadas eletrônicas mais internas dos átomos do alvo, e arrancá-los. Isso deixa um buraco na camada o que tira o átomo do equilíbrio. Para retornar ao equilíbrio, um elétron de uma camada mais externa preenche esse buraco. Nesse processo chamado de SALTO QUÂNTICO, há a emissão de um fóton.
Como veremos mais a diante, a diferença de energia entre as camadas eletrônicas é única para cada átomo. Dessa forma o fóton emitido é único para cada alvo e por isso, é chamado de RAIO X CARACTERÍSTICO.
IMAGENS COM RAIOS X
Os dois tipos de raios X são absorvidos de maneira diferente pelos tecidos do corpo de acordo com a sua energia. É justamente a ABSORÇÃO DIFERENCIAL que permite que os raios X sejam usados em exames como a radiografia convencional e a tomografia computadorizada (CT). Vamos ver a diferença entre elas?
Quando fazemos uma radiografia da mão, por exemplo, para ver se há algo errado, notamos que os ossos são evidenciados. Isso porque os raios X são absorvidos pelos órgãos mais densos, atravessando o entorno, como se fosse uma sombra. Isso é a absorção diferencial que comentamos. Neste caso, ela é responsável pela geração de CONTRASTE e permite identificar as estruturas anatômicas nessas imagens médicas.
A tomografia é um exame de raios X onde o tubo gira ao redor da pessoa, formando imagens de raios X em cortes. Essa imagem é chamada de imagem axial. Note que regiões mais densas como os ossos da coluna e da costela aparecem muito mais brancos. O coração aparece em um tom de cinza claro. Por ser menos denso, atenua menos os raios X do que os ossos. O pulmão por sua vez é menos denso ainda, não conseguindo atenuar os raios X para gerar contraste.
É possível fazer o pulmão ficar visível ajustando alguns parâmetros porque a imagem da tomografia não é formada sobre um filme com na radiografia, mas no próprio tomógrafo.
Trata-se, portanto, de uma IMAGEM DIGITAL. Imagens digitais são MATRIZES DE PIXELS e podem ser ajustadas conforme a necessidade, por exemplo, ver a região pulmonar para identificar pneumonite intersticial (imagem) ou até mesmo Covid-19.
IMPORTANTE: O exame de tomografia deposita uma dose muito maior do que a radiografia. Mas tenha calma, isso não significa que você precisa ter medo de fazer uma tomografias. Existem determinadas doenças que só podem ser diagnosticadas através de imagens de tomografia. Nesse caso, o pedido da imagem é baseado na relação de RISCO-BENEFÍCIO:
RISCO << BENEFÍCIO: quando o risco de alguma complicação por radiação for menos provável ou menos prejudicial do que não fazer o exame, a tomografia é pedida. Um exemplo dessa situação é a tomografia de planejamento para radioterapia. Como veremos mais adiante, é possível usar radiação para combater o câncer, e para isso, é preciso planejar o tratamento de forma segura. Esse planejamento é feito baseado em de imagens de tomografia.
RISCO >> BENEFÍCIO: existem casos, por outro lado, onde o risco gerado pela realização do exame é maior ou mais prejudicial do que o benefício gerado pela sua realização. Bebês, por exemplo, são extremamente sensíveis à radiação, de modo que a TOMOGRAFIA NÃO É INDICADA PARA GESTANTES! Neste caso, o médico opta pela imagem de ultrassom.
IMAGENS COM RAIOS GAMA
Também é possível formar imagens médicas usando raios gama. As fontes radioativas são associadas a substâncias químicas específicas, formando os RADIOFÁRMACOS. Esses fármacos são introduzidos nos pacientes (por ingestão, injeção ou até mesmo inalação) e produzem fótons em seu interior (Okuno & Yoshimura, 2010). Esses fótons tem energia para atravessar o paciente e atingir detectores externos, onde se forma a imagem.
O principal exame com raios gama é o PET (Positron Emission Tomography). Nele, um radiofármaco emissor de pósitrons é introduzido no paciente. O PÓSITRON é a antipartícula do elétron, tópico que abordaremos em detalhes nas seções seguintes. Por enquanto o que precisamos saber é que quando o pósitron interage com um elétron do corpo, eles se aniquilam e emitem 2 fótons em direções opostas. Esses fótons são detectados fora do corpo do paciente, como mostrado na figura:
MAS INGERIR ESSES RADIOFÁRMACOS NÃO É PERIGOSO?
Não! Os radiofármacos são produzidos por profissionais capacitados e emitem fótons em taxas que não fazem mal ao paciente. Além disso, os radiofármacos são injetados em quantidades muito baixas e ficam pouco tempo no corpo, sendo excretados em poucas horas.
A grande vantagem de se fazer uma imagem com raios gama é a capacidade de o radiofármaco se ligar a uma região específica do corpo. Um tumor cancerígeno, por exemplo, metaboliza muita glicose. Administrando um radiofármaco com um análogo da glicose, ele terá grande afinidade pelo tumor. Essas imagens podem ajudar o médico a identificar doenças e a escolher o melhor tratamento. Vamos considerar o seguinte estudo como exemplo:
A imagem a seguir foi retirada do artigo "Unusual skull base metastasis from neuroendocrine tumor: a case report" e pode ser usado para exemplificar o uso de PET para identificação de tumores:
A imagem da esquerda mostra uma tomografia computadorizada de abdômen. A da direita, uma imagem de PET da mesma região. Note como é mais fácil identificar as lesões na imagem de PET.
Na imagem de tomografia podemos ver regiões mais escuras do fígado. Esses pontos são indicativos das metástases infiltradas. Na imagem PET esses pontos podem ser visto com muito mais distinção, uma vez que cada região doente está acoplada a um radiofármaco emissor de pósitrons. Note como a imagem facilita a identificação da doença.
Portanto, se algum conhecido seu for fazer um exame de PET e estiver com medo de ingerir um radiofármaco, você já pode explicar para ele que não precisa ter medo. Além da dose ser muito pequena, a imagem fica nítida para o médico escolher o melhor tratamento.
REFERÊNCIAS
OKUNO, Emico; YOSHIMURA, Elisabeth Mateus. Física das radiações. Oficina de Textos, 2016.
Lim, K.H.J., Valle, J.W. & Lamarca, A. Unusual skull base metastasis from neuroendocrine tumor: a case report. J Med Case Reports 13, 273 (2019). https://doi.org/10.1186/s13256-019-2214-5
TRATAMENTO DE CÂNCER
Além de diagnosticar um doença, a radiação também pode ser usada como proposta terapêutica para algumas doenças. A radio oncologia é o ramo da medicina que se ocupa do combate a câncer usando radiação ionizante. Essa radiação pode ser ondulatória (raios X e gama) ou partículas (elétrons, prótons ou nêutrons) resultando em vários tratamentos diferentes.
No Brasil, o tratamento mas comum com radiação ionizante é a RADIOTERAPIA, procedimento que utiliza feixes de radiação ionizante para danificar o DNA de tumores. Esses tumores, no entanto, muitas estão rodeados por tecidos e órgãos saudáveis. Isso dificulta um pouco as coisas, mas não impede o nosso trabalho de destruir o câncer. Sabe por quê? Os tecidos sadios se recuperam dos danos de radiação de maneira muito mais rápida que os tecidos de câncer. Dessa forma, podemos irradiar a região, esperar que o tecido sadio se recupere, irradiar novamente, esperar, e assim sucessivamente até que o tumor seja controlado. O nome disso é FRACIONAMENTO DE DOSE.
Além disso, os feixes podem ser "direcionados" através de blocos de chumbo, que atenuam mais a radiação que vai incidir sobre os tecidos sadios. Ai está a importância do EXAME DE IMAGEM, com eles identificamos a região do tumor e podemos direcionar a radiação, poupando os órgãos saudáveis ao redor do tumor.
CLINAC
Exemplo de acelerador linear usado em radioterapia
A radiação ionizante utilizada em radioterapia é composta, principalmente por fótons de de raios gama (tratamentos mais antigos) ou raios X. As máquinas mais modernas, como o CLINAC da foto, também produzem elétrons, usados em tratamentos de órgãos superficiais como no caso de algumas doenças de pele. É realmente muito bonito e tudo precisa ser muito bem planejado. O PLANEJAMENTO em radioterapia envolve delinear o tumor e os órgãos saudáveis, ajustar as doses para essas regiões, dar a melhor forma aos campos de radiação, calcular o tempo de exposição à radiação (conhecido como unidade monitora) e gerar gráficos, na forma de histogramas, de dose e volume dos órgãos. Esse trabalho é realizado por um dosimetrista ou por um físico médico. O processo é conferido por um médico radio oncologista para poder ser aplicado ao paciente. Além de todas as ETAPAS DE VERIFICAÇÃO, um rigoroso teste de CONTROLE DE QUALIDADE DO EQUIPAMENTO deve ser realizado frequentemente pelo físico médico. Isso torna o tratamento por radioterapia seguro e eficaz no combate ao câncer.
ENERGIA NUCLEAR
A energia nuclear é uma importante fonte de energia alternativa disponível no mundo. Nela é possível usar a energia proveniente da FISSÃO NUCLEAR de núcleos pesados como o Urânio o Tório ou o Plutônio para mover turbinas e gerar energia elétrica. Explicaremos a física do processo de fissão mais a diante. Por enquanto, só queremos mostrar que a energia nuclear é uma das principais fontes alternativas ao uso de combustíveis fósseis.
Talvez você não conheça, mas temos usinas nucleares no território brasileiro. A CENTRAL NUCLEAR ALMIRANTE ÁLVARO ALBERTO, em Angra dos Reis é o complexo nuclear brasileiro que compreende as usinas ANGRA 1 (início da operação em 1985), ANGRA 2 (início da operação em 2001) e a usina ANGRA 3 (obras paralisadas).
Angra 1 e Angra 2 funcionam, sem interrupções desde o início de suas operações, produzindo cerca de 40% da energia do estado do Rio de Janeiro e aproximadamente 3% da energia de todo o território brasileiro.
REATORES NUCLEARES NO MUNDO
Atualmente há cerca de 450 reatores nucleares de potência em funcionamento no mundo, produzindo cerca de 11% da energia consumida pela humanidade.
Essa fonte de energia, assim como todas as demais, possui prós e contras. A seguir apresentamos uma tabela contínua as desvantagens e as vantagens dessa forma de energia
SUBMARINO NUCLEAR
Os submarinos são embarcações versáteis que, graças à sua furtividade, podem ser usados tanto em operações ofensivas quanto para a DEFESA TERRITORIAL.
Em termos de propulsão, os submarinos podem ser divididos em duas categorias: os com motores diesel-elétricos e os de propulsão nuclear. Embora os primeiros tenham vantagem furtiva, por emitirem menos ruído (associado às suas hélices propulsoras) eles tem baixa autonomia. Isso porque, frequentemente, eles precisam retornar para superfície para puxar oxigênio para os motores diesel-elétricos. Nessa situação, o submarino perde também, sua furtividade.
SNB "ÁLVARO ALBERTO" - SN10
Submarino Nuclear Brasileiro em construção.
Os submarinos de propulsão nuclear, por outro lado, embora menos furtivos por conta dos ruídos dos pistões do reator, tem uma grande autonomia. Submarinos nucleares podem ficar meses submersos em operação, e isso é muito interessante para o Brasil, que possui uma grande extensão costeira e uma vasta zona econômica exclusiva.
Além disso, um submarino nuclear agrega bastante em termos de tecnologia: é uma embarcação extremamente complexa e com elevada dificuldade de construção e de operação. A marinha brasileira, graças ao PROSUB (Programa de Desenvolvimento de Submarinos) possui tecnologia para construir um submarino nuclear. Com isso, o Brasil pode ser o sétimo país do mundo a possuir uma embarcação avançada desse tipo.
Essa tecnologia, sobretudo de ENRIQUECIMENTO DO URÂNIO pelo processo da ultracentrifugação, foi obtida após a parceria do centro tecnológico da Marinha em São Paulo (CTMSP), com o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN / CNEN). Conforme matéria da AGÊNCIA BRASIL, são 8 cascatas de ultra centrífugas, sendo a última inaugurada em 2019, na Fábrica de Combustível Nuclear (FCB) em Resende, RJ. O enriquecimento do Brasil é feito até 5%, sendo completado a 30% no exterior. O processo de enriquecimento do urânio é mostrado a seguir, no vídeo da INB - INDÚSTRIAS NUCLEARES DO BRASIL.
Para o Brasil fabricar submarinos nucleares foi necessária toda uma infraestrutura (base de apoio, fabricação e manutenção de componentes principais, entre outros), porque a dependência externa é uma hipótese descartada, devido à vulnerabilidade logística inerente desse tipo de dependência, e por ser um setor considerado estratégico para as nações. Assim, atualmente, o projeto do primeiro submarino nuclear brasileiro (SN-BR) teve sua concepção geral finalizada em janeiro de 2017. A fase de projeto foi iniciada em fevereiro de 2019 e deve ser concluída em fevereiro de 2022. E o início da construção do SN-BR está prevista para 2023 e o seu término para 2033.
TERMINAMOS!
Encerramos aqui a parte de aplicações de radiação com potencial benefício para a sociedade. A seguir, mostraremos algumas curiosidades: produtos que usaram os nomes radiação como forma de potencializar as vendas. Puro marketing! Alguns inclusive, continham realmente materiais radioativos. Baseado no que você já sabe sobre proteção radiológica, poderá julgar se os produtos são justificáveis ou não.
PROFESSOR (A): Nossa sugestão para o que apresentamos até agora é que seus alunos se dividam em grupos e elaborem seminários curtos, de 5 a 10 min, sobre alguma(s) das aplicações aqui citadas. Recomendamos que os alunos não usem apenas o que mostramos, mas outras fontes. Instigue neles a curiosidade e o prazer pela pesquisa. Após os seminários, é possível iniciar um debate em grupo, aprofundando as aplicações com os conceitos abordados.