Produção de raios X: Entenda como funciona

Os raios X podem ser produzidos quando elétrons em alta velocidade chocam-se com um alvo metálico. O processo inicia-se quando uma corrente elétrica passa através de filamento do cátodo, produzindo um brilho e emitindo elétrons.

Como funciona o raio x?

Com a aplicação de uma alta diferença de voltagem (medida em kilovolts) entre o cátodo e o ânodo, os elétrons passam a mover-se em alta velocidade desde o filamento até o alvo metálico, produzindo uma corrente (medida em mA). Essa corrente de elétrons atravessa o caminho somente em uma direção (cátodo -> ânodo).

Quanto maior for a corrente, maior será a produção de raios X, porém menor será o tempo de vida útil do filamento. Quando os elétrons se chocam com o alvo, raios X são produzidos através de dois mecanismos: bremsstrahlung (do alemão, significa freagem) e radiação característica. O primeiro mecanismo produz de 85% a 100% dos raios X, sendo o restante produzido pelo segundo mecanismo.

Entendendo o mecanismo Bremsstrahlug
No caso do mecanismo de bremsstrahlung, um espectro contínuo de raios X é produzido pela desaceleração dos elétrons provenientes do filamento quando estes passam próximos a núcleos carregados positivamente dos átomos do alvo, sendo desviados de sua trajetória (Figura 1.12).

A desaceleração brusca desses elétrons provoca perda de energia, o que gera a emissão de radiação eletromagnética de diferentes comprimentos de onda e energia. Dessa radiação produzida, apenas cerca de 1% é radiação X, sendo 99% emitida como calor, o que aquece o alvo.
O funcionamento dos elétrons no Raio X

Os elétrons podem passar a distâncias diferentes do núcleo, sendo mais ou menos freados. Assim, a radiação de bremsstrahlung se caracteriza por uma distribuição de energia, sendo que a maior parte dessa radiação possui baixa energia. Esse fato pode ser perigoso para o paciente, já que a radiação de baixa energia interage com o tecido sem contribuir para a formação da imagem radiográfica.

O espectro contínuo de raios X é uma curva de intensidade (medida em contagens por segundo) versus comprimento de onda do raio X. Essa curva depende do material do alvo e da voltagem (V) aplicada entre o filamento e o alvo. Já que a desaceleração do elétron é proporcional à densidade de prótons do núcleo do átomo do alvo, sendo então proporcional ao seu número atômico (Z), a eficiência da produção de raios X é proporcional a ZV.

O espectro contínuo de raios X é acompanhado por uma série de linhas isoladas, correspondente à radiação característica, produzida por transições eletrônicas específicas que ocorrem em átomos do material do alvo. Ao chocar-se com esses átomos, os elétrons provenientes do filamento expulsam elétrons das camadas mais internas dos átomos do alvo, resultando na transição de outros elétrons de camadas mais externas para camadas mais internas, substituindo os elétrons expulsos. Essa transição eletrônica resulta na geração dos raios X característicos.

Usando o modelo do átomo de Borh, fica mais fácil entender a produção de raios X característicos. Nesse modelo, o átomo é constituído por um núcleo contendo prótons e nêutrons, cercado por camadas de elétrons. Na figura 1.14, são mostradas as camadas K, L e M. Se o elétron proveniente do filamento possuir energia suficiente para expulsar um elétron da camada K (camada mais interna), a lacuna deixada deverá ser preenchida por um elétron da camada L ou M para garantir novamente o equilíbrio. Dependendo da camada que vem o elétron para preencher essa lacuna, a radiação emitida terá certo nível de energia.

Cada material emite um nível definido de radiação característica que depende do seu número atômico. Em radiologia convencional, utilizam-se tubos de raios X com alvos de tungstênio (símbolo = W, Z = 74), cuja radiação característica é da ordem de 70 keV. Já no caso da mamografia, os tubos podem ter alvos de molibidênio (símbolo = Mo, Z = 42) ou ródio (símbolo = Rh, Z = 45), cuja radiação característica é da ordem de 20 keV.
Portanto, o espectro de raios X é a superposição de um espectro contínuo e de uma série de linhas espectrais características do alvo.

Qual é o formato do aspecto do raio x?

O formato do espectro de raios X é sempre o mesmo; entretanto, alguns fatores modificam sua amplitude e sua posição no eixo de energia. A amplitude está relacionada com a intensidade do feixe, já a posição está relacionada com a sua qualidade.

A intensidade do feixe é também chamada de quantidade de raios X ou exposição à radiação, e é medida em roentgens (R). A quantidade de raios X é o número de raios X no feixe útil. Ela aumenta com o aumento da corrente e da tensão no tubo; por outro lado, diminui com o aumento da distância fonte-detector e da filtragem.

Já a qualidade do feixe de raios X mede a penetração do feixe no corpo, em unidades de camada semi-redutora (do inglês, half-value layer – HVL). HVL é a espessura de um material necessária para reduzir a quantidade de raios X penetrantes em 50%. Em radiologia, HVL normalmente é medida em milímetros de alumínio. HVL aumenta com o aumento da tensão aplicada no tubo e o aumento da filtragem do feixe.

Portanto, para feixes de maior HVL, ou seja, qualidade, os raios X são mais penetrantes e menos radiação é necessária para obter uma imagem de boa qualidade, reduzindo a dose no paciente.
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