Biofísica - Medicina nuclear PDF

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Resumo sobre medicina nuclear...

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Medicina nuclear – biofísica – VCTP

MEDICINA NUCLEAR A medicina nuclear é uma especialidade médica que usa materiais radioativos, chamados radionuclídeos, para ajudar a diagnosticar e tratar uma grande variedade de doenças, e também fazer pesquisa biomédica. O desenvolvimento da medicina nuclear reflete os avanços nos campos da física nuclear, química nuclear e, mais tarde, biologia molecular. Ainda que desde 1895 tenham sido feitas uma quantidade considerável de pesquisa no campo das ciências nucleares, somente nos anos de 1930 e 1940 que as substâncias radioativas puderam ser utilizadas por reatores nucleares e cíclotrons, permitindo que a medicina nuclear pudesse ser considerada como uma nova especialidade. OBS: Cíclotron é uma máquina usada para acelerar partículas até que as mesmas adquiram um alto nível energético, possibilitando reações nucleares que não aconteceriam com os níveis quânticos atingidos no cotidiano. Será abordado mais profundamente adiante. Procedimentos da medicina nuclear são importantes como uma ferramenta de diagnóstico, e são utilizadas por hospitais e outros locais por todo o mundo. Uma equipe de medicina nuclear geralmente é composta por: um médico especializado em medicina nuclear, um técnico especializado em medicina nuclear, um físico especializado em medicina nuclear e um radiofarmacólogo. Estes procedimentos algumas vezes detectam a presença da doença ao invés de providenciar um diagnóstico específico, e são frequentemente utilizados junto com outros mecanismos de diagnóstico através de imagem como raios X, tomografia computadorizada, ressonância magnética e ultrassonografia. Em alguns casos, uma doença pode ser detectada antes de afetar um determinado órgão ou o paciente sentir os sintomas. Isso é ótimo pois quanto mais cedo for a detecção mais cedo será o tratamento. Radionuclídeos e radiofármacos Um procedimento de medicina nuclear sempre requer o uso de radionuclídeos. Pela sua tendência natural de adquirirem estabilidade, radionuclídeos decaem ou desintegram-se à uma taxa constante. Cada radionuclídeo tem seu próprio método de decaimento e sua própria taxa ou meia vida.

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Durante eletromagnéticas

a

desintegração,

(fótons),

que

radionuclídeos

podem

ser

emitem

detectadas,

radiações

localizadas

e

quantificadas por sofisticados detectores de radiação. Frequentemente, estas substâncias radioativas se ligam quimicamente à uma molécula ou composto escolhido por sua habilidade em localizar um órgão específico. Essa combinação de substâncias recebe o nome de radiofármaco. A ideia fundamental do uso de radionuclídeos ou radiofármacos é o “princípio da perseguição”, inventado pelo químico Húngaro Georg Von Hevesy em 1912. Ele demonstrou que nuclídeos radioativos possuem propriedades químicas que são idênticas aos não-radioativos (em outras palavras os isótopos já estáveis) e que por isso poderiam ser usados para perseguir as vias fisiológicas e bioquímicas de um determinado composto no corpo e obter informação de diagnóstico. Tipicamente, o radiofármaco é injetado de forma intravenosa. Contudo, alguns estudos requerem a inalação (de um gás radioativo) ou ingestão. A distribuição desta substância no corpo ou órgão revela o estado da corrente sanguínea (podendo estar normal ou alterado), a permeabilidade capilar, o metabolismo dos tecidos ou alguma função específica de órgão ou sistema. Por exemplo, se a fisiologia de um sistema ou órgão mudou por alguma razão como um tumor, ausência de corrente sanguínea, entupimento de vasos ou alguma outra consequência que mexe com a homeostase, o modo como o radiofármaco é incorporado mostrará a alteração. É importante salientar que a medicina nuclear mostra alterações tanto estruturais quanto funcionais. Os radionuclídeos utilizados em diagnósticos de imagem devem ser cuidadosamente escolhidos, e as seguintes características são desejadas: 

Menor emissão de partículas possível



Energia primária de fótons entre 50 e 500 keV



Meia vida maior do que o tempo requerido para a

preparação do material para o exame 

Meia vida maior do que o tempo total do procedimento



Reatividade e forma química apropriada para uma

determinada via fisiológica 

Baixa toxicidade



Estabilidade ou quase estabilidade do produto da emissão

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Hoje, o isótopo 99 do tecnécio, produto do decaimento do isótopo 99 do molibdênio é o radionuclídeo mais usado para procedimentos médicos e na produção de radiofármacos, chegando a corresponder a mais de 80% dos procedimentos de cintilografia e outros. O tecnécio-99 é considerado ideal porque expõe o paciente à doses pequenas de radiação, possui pouca energia (140 keV), a maioria do seu decaimento resulta em raios gama, possui meia vida curta (seis horas), é barato e fácil de obter, e combina facilmente com muitos compostos. OBS: Falar sobre os raios gama?

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OBS: A produção de radionuclídeos pode ser feita a partir de fissão nuclear, reatores nucleares e cíclotrons. Os dois primeiros já abordamos em sala de aula, então falaremos apenas sobre o terceiro. Cíclotrons O que são e qual é a sua importância: É um tipo de acelerador de partículas programado para acelerar prótons e íons à altas velocidades e depois liberá-los em um alvo. Observações sobre estas colisões aumentam nosso conhecimento sobre a natureza das partículas atômicas, além de conseguirmos fabricar radionuclídeos com eles e também fazer radiocirurgias, utilizando

canhões de

prótons

contra tumores

e

doenças

oculares.

Diferentemente dos aceleradores utilizados na física de partículas hoje em dia (como o LHC), o primeiro cíclotron foi construído em 1930 pelo físico americano Ernest Orlando Lawrence e possuía apenas 12 centímetros de diâmetro. Quando foi inventado, ele foi um aparelho revolucionário no seu tempo, porém hoje já é considerado obsoleto no estudo da mecânica quântica pois não é capaz de acelerar as partículas até as altas velocidades necessárias para os experimentos atuais. Neste tipo de estudo, a velocidade é fundamental porque como Einstein provou, a massa é proporcional à energia. Quando a partícula se move com alta velocidade, como em um cíclotron, ela adquire uma energia cinética bastante considerável e a sua massa, portanto, é aumentada. Este aumento de massa leva às funções correspondentes. Como ele funciona: Uma partícula carregada que se move em ângulos retos devido a ação de um campo magnético é sujeita a uma força que é perpendicular tanto ao campo magnético quanto à direção da partícula no instante do movimento. Essa força faz a partícula seguir uma trajetória espiral. No cíclotron, um par de estruturas metálicas ocas em forma de D são posicionadas acima de um imã eletromagnético bastante potente, e as partes planas das estruturas ficam voltadas para si. Uma delas, porém, é sujeita a uma carga negativa e a outra à uma carga positiva. A partir daí, uma partícula carregada (como um próton) é injetada neste ambiente. Por ter carga positiva, o próton é atraído pelo D negativo e repelido pelo D positivo. Essa atração e repulsão produzem um trabalho na partícula, que começa a se movimentar. Quando a partícula se aproxima do D negativo, o campo magnético produz

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uma alteração no caminho, tornando-o circular e fazendo a partícula se movimentar rumo ao D positivo. Antes que a partícula posas ser repelida pelo D positivo o campo elétrico atua novamente, dessa vez rumo ao D negativo, que atrai o próton. Deste modo, o campo magnético continua produzindo este movimento circular com a partícula, alternando os polos. Quanto maior for a duração, maior será o aumento de velocidade e consequentemente maior a energia. Quando o próton adquire uma velocidade muito alta, de modo que fica difícil impedir a colisão com alguma das estruturas metálicas, o próton é ejetado do cíclotron por um imã e direcionado até um alvo.

Este foi o primeiro cíclotron produzido. Por essa invenção, E. O. Lawrence ganhou o Nobel de física em 1939.

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Aqui está uma foto do LHC, acelerador de partículas mais utilizado atualmente além de ser o mais importante. Fica na fronteira entre a Suíça e a França. Ele possui 27 quilômetros de diâmetro, contra 12 centímetros do primeiro cíclotron. Produção de radionuclídeos A maioria das substâncias radioativas que não ocorrem naturalmente na natureza podem ser produzidas pelo bombardeamento de partículas ou fissão nuclear. Ambos os métodos alteram a proporção nêutron/próton no núcleo para produzir um isótopo instável. O bombardeamento consiste na irradiação de nêutrons em um núcleo previamente selecionado que se localiza em um reator nuclear ou com partículas carregadas (partículas alfa, prótons ou dêuterons) em um cíclotron. Uma vez completado o bombardeamento, o isótopo resultado deve estar fisicamente separado de quaisquer núcleos alvo restantes e inalterados, bem como de quaisquer contaminantes presentes. Assim, é óbvio que este processo de separação final e a pureza elementar inicial do alvo do bombardeamento são fatores importantes na obtenção de um produto de alta atividade específica. Como a produção de radioisótopos por cíclotrons quase sempre envolve transmutação (mudança de número atômico) de um elemento em outro, o procedimento por cíclotrons é excelente em se tratando do ponto de

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vista deste processo final de separação de substancias. Os radionuclídeos feitos pelo bombardeamento em reatores, entretanto, não resultam em mudança de número atômico, logo a separação se torna mais complicada. Já os radionuclídeos derivados do processo de fissão são sempre produtos da fissão de urânio-235 e plutônio-239. Um destes isótopos é colocado em um reator e depois da fissão originam-se os produtos, que são bastante variados porém sempre conservam somados o número atômico e o número de massa. Exemplos produzidos são: Iodo-131, xenônio-133, estrôncio-90, molibdênio-99 e césio-137. Como muitos destes isótopos estão presentes juntos, eles devem ser cuidadosamente separados para que se exclua o maior número de contaminantes possíveis. Ainda que muitas vezes isso seja difícil, ainda é rentável produzir radioisótopos desta maneira. OBS: O bombardeamento por nêutrons e a fissão nuclear quase sempre produzem isótopos com excesso de nêutrons, que decaem por emissão beta. Alguns isótopos como o molibdênio-99, importantíssimo na produção de tecnécio-99, pode ser produzido por ambos os métodos. Já os isótopos produzidos por cíclotrons são geralmente deficientes em nêutrons, decaindo por captura de elétrons ou emissão de pósitrons. Alguns exemplos de isótopos produzidos por cíclotrons são o iodo-123, o flúor-18, o gálio-67, o índio-111 e o tálio-201. Em geral, radionuclídeos produzidos por cíclotrons são mais caros se comparados com os produzidos pelo bombardeamento de nêutrons ou fissão, e isso é importante pois o custo econômico dita se um determinado uso é viável ou não. Instrumentação e uso pela Cintilografia Diferentemente de um procedimento de raio x onde uma imagem é obtida quando um feixe de raio x gerado por uma máquina passa através do corpo, a imagem por cintilografia ocorre pelo decaimento radioativo dentro do próprio corpo do paciente, decaimento este que é absorvido também externamente por uma máquina, chamada máquina de cintilação ou câmara gama. Este equipamento foi inventado pelo físico americano Hal Anger. As imagens geradas são chamadas de scans, uma palavra herdada dos tempos iniciais da medicina nuclear, quando a cintilação ainda era feita por scanners retilíneos. Essa câmara gama é feita de diversos componentes. É capaz de

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detectar radiação e converte-la em impulsos elétricos. A maioria das câmaras gama são conectadas à computadores que processam a informação coletada, armazenando-a e produzindo a imagem do órgão de interesse. A imagem resultante do processo é vista de uma forma bidimensional em uma coloração preto e branco. Locais comuns em que a cintilografia costuma atuar: pulmões, tireoide, fígado, sistema biliar, coração, rins, cérebro e ossos. Outros usos dos radiofármacos Exames que não utilizam imagens, como por exemplo anticorpos monoclonais radiomarcados, requerem a mistura do soro sanguíneo com radiofármacos, que serão capazes de detectar a presença de algum hormônio específico, um composto químico ou droga terapêutica. Em outros estudos que não utilizam imagens, o paciente recebe um radiofármaco e depois de um certo tempo amostras de sangue e urina são coletadas e testadas. Ocasionalmente, uma grande quantidade de radionuclídeo é dada ao paciente para produzir um efeito biológico. Por exemplo, o tratamento terapêutico para a doença de Graves, uma condição hiperativa da glândula tireóidea, requer uma alta dose de iodo radioativo, dose esta que deve ser alta o suficiente para destruir o tecido. Este radioisótopo do iodo é frequentemente usado para tratar ou detectar sintomas relacionados à tireoide porque este órgão naturalmente absorve este elemento químico, e como dito antes não percebe a diferença entre o isótopo estável e o isótopo radioativo. Cintilografia É um método de diagnóstico por imagem derivado da medicina nuclear, onde

são

utilizados

traçadores

radioativos

que

emitirão

radiações

posteriormente capturadas por detectores de cintilação. O detector de cintilação se chama Câmera de Anger, Câmera Gama ou Câmera de Cintilação. Vantagens da cintilografia:  Imagens funcionais.  Método

indolor,

não

invasivo

(o

radiotraçador

administrado por via venosa, oral, inalatória ou subcutânea).  Ausência de reação alérgica ao radiotraçador.

pode

ser

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 Menor exposição à radiação relacionada a outras técnicas de imagem, principalmente quando se trata de imagem de corpo inteiro. Desvantagens:  Baixa resolução para imagens anatômicas.  A disponibilidade de certos radiotraçadores não é imediata, necessitando, em algumas casos, espera de 1 a 2 semanas.  Por se tratar de imagens funcionais, alguns exames precisam de preparo prévio prolongado (1 a 90 dias) com restrição de certos tipos de alimentos e medicamentos.  Alguns processos fisiológicos a serem estudados não podem ser acelerados e a aquisição das imagens podem levar até 60 minutos. Câmera gama, Câmera de Anger ou Câmera de cintilação É o detector mais comumente utilizado com os radiotraçadores. Estruturalmente, é formado por um colimador, um cristal de cintilação, um conjunto de tubos fotomultiplicadores (PMT’s) organizados e arranjados de forma paralela uns aos outros, pré-amplificadores, um analisador de altura de pulsos (PHA), um circuito de correção digital, um tubo de raios catódicos e um centro de controle, além de computadores e sistemas geradores de imagens que são parte integral do sistema. Funcionamento básico: A radiação gama emitida pelo radiofármaco faz com que os cristais de iodeto de sódio emitam fótons de luz. Isto é chamado de cintilação. Essa luz é convertida em sinais químicos pelos tubos fotomultiplicadores. Quanto mais tubos fotomultiplicadores houver, mais nítida será a imagem. Os sinais elétricos são processados eletronicamente para formar a imagem final, que é registrada permanentemente em uma placa fotográfica. A câmera de Anger e o paciente precisam ficar imóveis durante a geração da imagem, o que pode levar minutos. Para conseguir imagens de alta qualidade, a câmera deve estar localizada próxima ao corpo do paciente, o que pode ser bastante desconfortável. Como dito anteriormente, a imagem resultante é planar ou bidimensional.

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Colimador É feito de chumbo perfurado ou “dobrado” e fica interposto entre o paciente e os cristais de cintilação. O colimador permite que a Câmera Gama localize precisamente o radionuclídeo no corpo do paciente. Eles executam esta função ao absorver e parar a maior parte das radiações emitidas exceto as que chegam perpendicularmente à face do detector. A maioria das radiações que atingem o colimador em ângulos oblíquos não é incluída no final da imagem. De todos os fótons emitidos pelo radiofármaco administrado, é seguro dizer que mais de 99% deles é desperdiçado, não sendo aproveitado pela câmera gama. De um modo conciso, o colimador é responsável por limitar a taxa de radiação que será usada na produção da imagem. Existem dois tipos básicos de colimadores, os de furo único (pinhole collimator) e os de furos múltiplos (multihole collimator). 01 - O de furo único funciona de uma maneira similar à uma câmera de caixa. A radiação necessita passar pelo buraco para ser transformada em imagem, que é invertida no cristal de cintilação. Como pouca radiação passa pelo buraco, este tipo de colimador é pouco sensível. OBS: Sensibilidade do colimador refere-se à percentagem de fótons incidentes que passam pelo colimador. Quanto menos sensível for um colimador, mais perto terá que ficar a câmera, pois senão a imagem ficará bastante prejudicada. Como a geração da imagem é resultado da distância do aparelho até o radionuclídeo, se o objeto de interesse não é relativamente

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plano ou fino, a imagem pode ficar distorcida. Este tipo de colimador é usado rotineiramente para a produção de imagens em órgãos pequenos, como a tireoide e algumas regiões do esqueleto, como o quadril ou pulso. 02 – Já o colimador de furos múltiplos podem ter seus furos alinhados de maneira convergente, divergente ou paralela. O colimador de furos paralelos é o mais usado nos laboratórios de medicina nuclear. Consite de furos paralelos com um eixo longo perpendicular ao plano do cristal de cintilação. As paredes de chumbo entre os buracos são chamados de septo. O septo absorve a maioria dos raios gama que não emanam para a direção de interesse. Logo, quanto maior for a energia dos raios gama emanados do radionuclídeo, mais grosso deverá ser o septo. A quantidade de raios gama que penetram no septo não excedem 10 – 25%. Um colimador de furos paralelos deve ser escolhido de acordo com o isótopo utilizado para formar a imagem. Colimadores de baixa energia

geralmente

são

utilizados

quando

a

energia

liberada

dos

radionuclídeos não ultrapassa 150 keV, enquanto colimadores de média energia são utilizados para suportar uma energia de até 400 keV. Colimadores também estão disponíveis nos mais diversos comprimentos e espessuras de seu septo. No geral, quanto mais longo for o septo, melhor a resolução e pior a sensibilidade de um radionuclídeo. Isso acontece porque a sensibilidade é inversamente proporcional ao quadrado da longitude do colimador. Logo, quanto menor for a longitude, maior será a sensibilidade e menor será a resolução....