Baixe GRANDEZAS e UNIDADES-2011 e outras Notas de estudo em PDF para Física, somente na Docsity! IDEZAS E UNIDADES PARA RADIAÇÃO IONIZANTE EA e A era ERES SS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE FÍSICA MÉDICA www.abim.org.br DSi NO SiS IS UN [SAS Laboratório Nacional de Metrologia das Radiações Ionizantes Designado pelo INMETRO IRD/CNEN/MCT Grandezas e Unidades para Radiação Ionizante (Recomendações e definições) Coordenadores de redação: Manoel Mattos Oliveira Ramos Luiz Tauhata Capa e projeto gráfico: Maria Antonieta R.R.Di Prinzio Rio de Janeiro – Dezembro de 2002- Revisado em Outubro de 2011 iv v ÍNDICE Introdução..........................................................................................................1 Grandezas e unidades para radiações ionizantes.............................................3 Radioatividade...................................................................................................3 Radioterapia.......................................................................................................3 Radiodiagnóstico...............................................................................................4 Radioproteção....................................................................................................5 Glossário de grandezas e unidades para radiação Ionizante............................9 Referências......................................................................................................21 . Índice de Tabelas Tabela 1. Grandezas de radioatividade.………...............………………………..9 Tabela 2. Grandezas radiométricas.................................................................11 Tabela 3. Coeficientes de interação................................................................12 Tabela 4. Grandezas dosimétricas..................................................................13 Tabela 5. Grandezas dosimétricas especiais para radiodiagnóstico...............14 Tabela 6. Grandezas limitantes usadas em radioproteção para radiação externa............................................................................................15 Tabela 7. Grandezas operacionais de radioproteção (ICRU 47 e 51).............16 Tabela 8. Grandeza de radioproteção para dosimetria interna.......................17 Tabela 9. Fator de Qualidade Efetivo..............................................................18 Tabela 10. Fator de Peso da Radiação...........................................................18 Tabela 11. Fator de Peso para o Tecido ou Órgão.........................................19 Tabela 12. Profundidade d, em mm, para avaliação das grandezas operacionais...................................................................................20 Tabela 13. Dependência do fator de qualidade Q com a Transferência linear de energia L...................................................................................20 Tabela 14. Relações entre algumas grandezas radiológicas......................... 21 Tabela 15. Valores da constante de exposição Γ para alguns radionuclídeos emissores gama.............................................................................23 Tabela 16. Conversão entre unidades SI e não SI..........................................23 Tabela 17. Limites de Dose Anuais estabelecidos pela Norma CNEN NN 3.01 Set/201 e alterados pela resolução 114/2011..................24 Tabela 18. Níveis de Registro, Investigação e Intervenção estabelecidos pela Norma CNEN NN 3.01 e/2011................................................25 Tabela 19. Classificação das áreas de trabalho em instalações.....................25 Tabela 20. Prefixos e Sufixos das unidades SI...............................................26 Referências......................................................................................................27 vi Índice das Figuras Figura 1- Fator de conversão f de dose absorvida no ar para dose absorvida na água ou no tecido muscular em função da energia do fóton X ou gama..........................................................................................22 2 3 GRANDEZAS E UNIDADES PARA RADIAÇÕES IONIZANTES RADIOATIVIDADE A grandeza definida para medição da quantidade de transformações que ocorrem numa fonte radioativa, dando origem aos diversos tipos de radiação, é a atividade. Entretanto, devido ao fato das medições estarem associadas a uma amostra, que possui um determinado volume ou massa, muitas vezes são utilizadas as grandezas atividade por unidade de volume ou atividade por unidade de massa, anteriormente denominadas de concentração de atividade ou simplesmente concentração. Da mesma forma, para expressar quantitativamente o nível de contaminação superficial por um material radioativo, utiliza-se atividade por unidade de área Para expressar a quantidade de radiações emitidas por determinados tipos de fontes, por exemplo, fontes com radionuclídeos emissores alfa, devido ao pequeno alcance da radiação alfa, ela só pode ser medida de um lado da fonte, geometria 2π, e expressa em radiações por segundo, mas que não significa 1 becquerel. Existem unidades obsoletas de atividade por unidade de volume que ainda são utilizadas para expressar o nível de radioatividade de águas minerais, como por exemplo, o mache e o eman. O mache vale 3,46 eman e expressa a quantidade de radônio emanada de um litro de água contendo urânio e seus descendentes radioativos. O mache equivale a 12,802 Becquerel/litro. RADIOTERAPIA As grandezas de calibração em radioterapia estão divididas pelo tipo de tratamento aplicado: teleterapia ou braquiterapia. A teleterapia ou radioterapia de feixe externo envolve irradiações com fótons ou elétrons para destruir células de câncer na superfície ou mais profundamente no corpo. Para a teleterapia as grandezas padronizadas no LNMRI são o kerma no ar e a dose absorvida na água. Os padrões nacionais são calibrados no BIPM e as grandezas são disseminadas para diferentes qualidades de feixes de radiação. Para tanto são utilizados procedimentos baseados em “protocolos” internacionais recomendados pela AIEA, tais como: TRS277, TRS381 e TRS 398. A técnica de Braquiterapia utiliza fontes radioativas encapsuladas, que são inseridas muito próximas ou dentro do tumor, fornecendo uma alta taxa de dose em tecidos próximos à fonte, sem prejudicar as estruturas 4 adjacentes. Esta técnica existe desde o início do século 20 e vários radionuclídeos entre eles 60Co, 137Cs, 192Ir, 125I, 103Pd têm sido utilizados. Há duas possibilidades a serem consideradas para a calibração das fontes usadas em Braquiterapia em termos de taxa de Kerma no ar. A primeira requer que as fontes de referência sejam calibradas em um laboratório primário em intensidade de kerma no ar (“air kerma strength”) e sua calibração seja transferida através do uso de câmaras de ionização tipo poço. A segunda requer que as medições sejam feitas com uma câmara de ionização (calibração no ar) com fator de calibração rastreável a um laboratório primário. A segunda opção é utilizada no LNMRI para fornecer a calibração da semente de 192Ir HDR. O LNMRI também possui uma câmara tipo poço modelo HDR 1000 Plus, calibrada em intensidade de kerma no ar, e está atualmente em estudos para implantar a disseminação dessa grandeza no país, como recomendado pelo TECDOC 1079 da IAEA. RADIODIAGNÓSTICO Na área de Radiodiagnóstico Médico e Odontológico, a grandeza fundamental na qual os padrões nacionais são calibrados é o kerma no ar. A partir do kerma no ar podem-se determinar todas as demais grandezas de uso prático. As medições de radiação, nesta área, são fundamentais para os programas de controle de qualidade dos equipamentos de raios X e para medir ou estimar doses a que estão submetidos os pacientes, ou seja, na dosimetria do paciente. Para o controle de qualidade, a grandeza kerma no ar é suficiente, tanto na caracterização e controle da fonte (campo de radiação incidente no paciente) quanto para a avaliação do desempenho do sistema de captação e registro da imagem (campo de radiação pós-paciente). A dosimetria do paciente é um pouco mais complexa devido à diversidade de técnicas para obtenção da imagem e às diferentes intensidades, durações e energias dos campos utilizados. Como agravante, tem aparecido de uma profusão de grandezas para cada técnica. Enquanto que em algumas situações a grandeza dosimétrica de interesse pode ser medida diretamente, em outras, a medição direta não é de todo possível, como por exemplo na medição de dose em um órgão ou tecido interno. Neste caso obtém-se a dose indiretamente através da aplicação de um coeficiente de conversão tabelado, a partir de uma grandeza medida diretamente. Até o momento, as diferentes grandezas propostas partem da definição de grandezas dosimétricas básicas (kerma no ar, dose absorvida ou exposição), mas levam em conta as condições em que as medições são 7 procedimento de monitores de área gama se aplica para as calibrações com radiação beta, isto é, a calibração é realizada de acordo com a grandeza/unidade apresentada pelo instrumento. Neste caso o LNMRI faz a mesma recomendação, isto é, de se adequar à recomendação da CGPM para calibração nas unidades SI. Calibração de monitores de contaminação superficial Radiação α e β A calibração é feita por meio de fontes padrão de grande área, calibradas em termos da taxa de emissão superficial (número de partículas/segundo). A maioria dos monitores de contaminação, em uso no país, exibe escala em taxa de contagem (cpm ou cps). A calibração dos monitores é feita pela determinação da eficiência (adimensional) do detector, para cada radionuclídeo de interesse, e de acordo com normas internacionais. Grandezas limitantes As grandezas limitantes de uso oficial no país são definidas pelo organismo regulador, Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), principalmente as que são definidas em normas básicas e específicas para radioproteção, em cada área de aplicação. Alguns comitês do IRD, como por exemplo o CASMIE, regulamentam áreas específicas e definem grandezas para uso oficial no âmbito de sua certificação ou autorização. Como participante de tais comitês, o LNMRI assessora as reuniões para a correta definição de grandezas e as dissemina para uso no país juntamente com a rede de metrologia. A introdução das novas grandezas operacionais do ICRU para uso oficial no país já foi proposta por grupos de trabalho que se reuniram em maio de 1997. Neste encontro foram apresentadas propostas de programas de trabalho para diversos temas de radioproteção e metrologia. A maioria das propostas não foi implementada devido a dificuldades operacionais. Efetivamente, tais grandezas já estão em uso no país, uma vez que os instrumentos projetados para medi-las são calibrados nessas grandezas, quando chegam aos laboratórios da rede. A conversão de instrumentos projetados para medir exposição em instrumentos para medir uma nova grandeza, é muito mais complexa do que uma simples mudança de unidade e apresenta um resultado duvidoso. Como o Hx é conservativo em comparação com o H*(10), seria menos custoso somente trocar as unidades de medida de monitores de taxa de exposição (R/h) para Sv/h, do que investir horas de trabalho tentando adequar a resposta de um instrumento para a nova grandeza. 8 Novos instrumentos já estão sendo projetados para as novas grandezas e poderão, ao longo do tempo, substituir os antigos modelos com vantagens. 9 Glossário de Grandezas e Unidades para Radiação Ionizante As grandezas reunidas nas tabelas abaixo foram classificadas de acordo com documentos do ICRU e ICRP, e seguem as seguintes definições: • Grandezas de radioatividade são grandezas associadas com as transformações que ocorrem em materiais radioativos; • Grandezas radiométricas estão associadas com o campo de radiação; • Coeficientes de interação caracterizam os processos de interação da radiação com a matéria; • Grandezas dosimétricas são produto das duas anteriores; • Grandezas de radioproteção o Limitantes - são grandezas criadas pela ICRP e também utilizadas em normas para indicar o risco humano da exposição à radiação ionizante; o Operacionais - são aquelas definidas para uso nas práticas de monitoração de área e monitoração individual. A existência destas grandezas deve-se ao fato de que as grandezas limitantes não são mensuráveis ou facilmente estimáveis. Tabela 1: Grandezas de radioatividade GRANDEZA SÍMB. UNIDADE DEFINIÇÃO Atividade Activity A Becquerel Bq = s-1 É o quociente dN/dt, de uma quantidade de núcleos radioativos num estado de energia particular, onde dN é o valor esperado do número de transições nucleares espontâneas deste estado de energia no intervalo de tempo dt. dt dN A = Cte. de decaimento Decay constant λ s-1 Ë o quociente entre dP e dt, onde dP é a probabilidade de um dado núcleo sofrer uma transição nuclear espontânea de um dado estado de energia, em um intervalo de tempo dt. É também conhecida como constante de desintegração. Cte. de taxa de kerma no ar Air kerma- rate constant δ Γ m2GyBq-1s-1 É o quociente de δ Kl &2 por A , onde δ K& é a taxa de kerma no ar devido a fótons, com energia maior do que δ a uma distância l de uma fonte puntiforme de um radionuclídeo com atividade A. A K l = Γ δ δ &2 12 Tabela 3: Coeficientes de interação COEFICIENTE SÍMB. UNIDADE DEFINIÇÀO Secção de choque Cross section σ m2 É o quociente da P porφ, onde P é a probabilidade da interação para o alvo quando sujeito a uma fluência Φ de partícula incidente carregada ou neutra de determinado tipo e energia sobre o alvo para produzir determinada interação φ =σ P Poder de Freamento Total em Massa Total mass stopping power S/ρ J m2 kg-1 É o quociente de dE por ρ dl, onde dE é a energia perdida pela partícula carregada ao percorrer a distância dl no material de densidade ρ, para partículas carregadas de determinado tipo e energia. dl dE1S ρ = ρ Transferência Linear de Energia Linear energy transfer L∆ J m-1 É o quociente de dE por dl, onde dE é a energia perdida pela partícula carregada devido a colisões com elétrons ao atravessar a distância dl, menos a soma das energias cinéticas de todos os elétrons perdida com energias cinéticas acima de ∆ =∆L ∆       dl dE O LET é também denominado de poder de freamento de colisão restrito. Rendimento químico para irradiação Radiation chemical yield G mol J-1 É o quociente de n(x) por ε, onde n(x) é a quantidade média da substância x produzida, destruída ou modificada pela energia depositada ε pela radiação na matéria ε = )x(n)x(G Energia média necessária para formar um par de íons num gás Mean energy expended in a gas per ion pair formed W J É o quociente de E por N, onde N é o número médio de pares de íons formados quando uma partícula carregada de energia cinética E é completamente dissipada no gás. N E W = Seu valor normalmente é expresso dividido pela carga do elétron e. Para o ar o W/e vale: 33,97 J C-1 13 Tabela 4: Grandezas dosimétricas GRANDEZA SÍMB. UNIDADE DEFINIÇÃO Exposição Exposure X C kg-1 É o quociente entre dQ por dm, onde dQ é o valor absoluto da carga total de íons de um dado sinal, produzidos no ar, quando todos os elétrons (negativos e positivos) liberados pelos fótons no ar, em uma massa dm, são completamente freados no ar. dm dQ X = Kerma Kerma K Gray Gy=J kg-1 É o quociente dEtr por dm, onde dEtr é a soma de todas as energias cinéticas iniciais de todas as partículas carregadas liberadas por partículas neutras ou fótons, incidentes em um material de massa dm dm dE K tr= Intensidade de Kerma no Ar Air kerma strength kS É uma medida da intensidade de uma fonte de braquiterapia, que é especificada em termos da taxa de kerma no ar em um ponto ao longo do eixo transversal da fonte no espaço livre. É definida como o produto da taxa de kerma no ar a uma distância, d, no espaço livre, medida ao longo do eixo transversal da fonte, em seu centro, e o quadrado da distância ( ) 2ark ddKS ⋅= & Dose absorvida Absorbed dose D Gray Gy=J kg-1 É o quociente de _ d ε por dm, onde _ d ε é a energia média depositada pela radiação ionizante na matéria de massa dm,num ponto de interesse dm d D _ ε= 14 Tabela 5: Grandezas dosimétricas especiais para radiodiagnóstico GRANDEZA SÍMB. UNIDADE DEFINIÇÃO Kerma no ar incidente Incident air kerma Ka,i J.kg-1 Gray (Gy) É o kerma no ar no eixo central do feixe incidente à distância foco-superfície da pele, isto é, no plano de entrada da pele. Inclui apenas o feixe primário incidente no paciente ou simulador e nenhuma radiação retroespalhada. Outros nomes: kerma no ar na superfície de entrada (ESAK), kerma no ar de entrada, kerma no ar (AK). Aplicação: Radiografia, fluoroscopia e mamografia Kerma no ar na superfície de entrada Entrance surface air kerma Ka,e J.kg-1 Gray (Gy) É o kerma no ar no eixo do feixe de raios X no ponto onde ele entra no paciente ou no simulador. A contribuição da radiação retroespalhada é incluída. Outros nomes: dose na superfície de entrada (ESD). Aplicação: Radiografia, fluoroscopia e mamografia Produto kerma no ar-área Air kerma- area-product PKA J kg-1 m2 Gy cm2 É a integral do kerma no ar livre no ar sobre a área, A, do feixe de raios X em um plano perpendicular ao seu eixo. ∫= A aKA dAAKP )( Outros nomes: produto kerma (dose) área (KAP, DAP). Aplicação: Radiografia e fluoroscopia Índice de kerma no ar em TC CT air kerma index CK J.kg-1 Gray (Gy) É a integral do perfil do kerma no ar em um único corte ao longo de uma linha infinita perpendicular ao plano tomográfico, dividido pela espessura nominal de corte T. (medido no ar) ∫ ∞+ ∞− = dzzK T C aK )( 1 Outros nomes: índice de dose em TC (CTDI). Aplicação: tomografia computadorizada. Índice de dose em TC CT dose index CD J.kg-1 Gray (Gy) É a integral do perfil de dose no ar em um único corte, ao longo de uma linha infinita perpendicular ao plano tomográfico, dividida pela espessura nominal de corte T (medido no simulador). ∫ ∞+ ∞− = dzzD T C aD )( 1 Outros nomes: índice de dose em TC (CTDI). Aplicação: tomografia computadorizada. 17 Tabela 8: Grandeza de radioproteção para dosimetria interna GRANDEZA SÍMB. DEFINIÇÃO Dose absorvida comprome- tida Committed absorbed dose D É o valor da integral da taxa de dose absorvida, num particular tecido ou órgão, que será recebido por um indivíduo, após a incorporação de material radioativo em seu corpo, por um intervalo de tempo τ após a incorporação. dt. dt )t(dD )(D o o t t ∫ τ+ =τ 18 FATORES DE PONDERAÇÃO DA RADIAÇÃO E CONVERSÃO DE GRANDEZAS Tabela 9: Fator de Qualidade Efetivo (ICRP 26 e CNEN NE 3.01) TIPO DE RADIAÇÃO E ENERGIA Q Raios X, radiação gama, elétrons, radiação beta mais e beta menos Prótons e partículas com uma unidade de carga e com massa de repouso maior que uma unidade de massa atômica e de energia desconhecida Nêutrons com energia desconhecida Radiação alfa e demais partículas com carga superior a uma unidade de carga 1 10 20 20 Tabela 10: Fator de Peso da Radiação, wR (CNEN NN.3.01-2011) TIPO DE RADIAÇÃO E ENERGIA WR Fótons de todas as energias Elétrons e muons de todas as energias Nêutrons com energia: < 10 keV…………………………………………………………………….. 10 keV a 100 keV………………………………………………………………... >100 keV a 2 MeV………………………………………………………………… > 2 MeV a 20 MeV………………………………………………………………… > 20 MeV……………………………………………………………………. Prótons (exceto prótons de recuo) e partículas com uma unidade de carga e com massa de repouso maior que uma unidade de massa atômica e de energia > 2 MeV Radiação alfa, fragmentos de fissão e íons pesados e demais partículas com carga superior a uma unidade de carga 1 1 5 10 20 10 5 5 20 19 Tabela 11: Fator de Peso para o Tecido ou Órgão ( ICRP 60 e CNEN NN 3.01 –2011) TECIDO OU ÓRGÃO WT ICRP 26 ICRP 60 Gônadas Medula óssea (vermelha) Cólon Pulmão Estômago Bexiga Mama Fígado Esôfago Tireóide Pele Superfície óssea Restantes* 0,25 0,12 - 0,12 - - 0,15 - - 0,03 - 0,03 0,30 0,20 0,12 0,12 0,12 0,12 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,01 0,01 0,05 * cérebro, intestino grosso superior, intestino delgado, rins, útero, pâncreas, vesícula, timo, adrenais e músculo 22 Taxa de Kerma no ar E Atividade -fonte puntiforme -condições de boa geometria de medição Os valores de δΓ são dados em: M.M.Ninkovic, J.J.Raiceviv and F.Adrovic- Rad.Prot.Dos(2005) v.115, No.1-4,p.247-250) 2 . d A dt dK ar δΓ= A= atividade da fonte em GBq d= distância em m δΓ = constante de taxa de kerma em (Gy m2 s-1 Bq-1) Figura 1: Fator de conversão f de dose absorvida no ar para dose absorvida na água ou no tecido muscular em função da energia do fóton X ou gama. 0,98 1 1,02 1,04 1,06 1,08 1,1 1,12 0,01 0,1 1 10 Energia (MeV) F at o r f água/ar músculo/ar 23 Tabela 15. Valores da constante de taxa de exposição Γ para alguns radionuclídeos emissores gama em (R m2)/(h Ci) Radionuclídeo Γ Radionuclídeo Γ Radionuclídeo Γ 198 Au 0,232 131I 0,22 226Ra 0,825 57Co 0,09 192Ir 0,5 124Sb 0,98 60Co 1,32 54Mn 0,47 99Tcm 0,12 137Cs 0,33 22Na 1,2 65Zn 0,27 125I 0,07 24Na 1,84 Tabela 16: Conversão entre unidades SI e não SI Unidades antigas Equivalência Unidades do SI Curie (Ci) 1 Ci=3,7 x 1010 Bq Becquerel (Bq = s -1 ) Roentgen (R) 1 R= 2,58 x 10-4 C kg-1 Coulomb por quilograma (C kg-1) rem 1 rem= 0,01 Sv Sievert (Sv = Joule kg-1) rad 1 rad = 0,01 Gy Gray (Gy = Joule kg-1) mache 1 mache=12,802 Bq L-1 Becquerel por litro (Bq L -1 ) 24 Tabela 17. Limites de Dose Anuais estabelecidos pela Norma CNEN NN 3.01 Set/2011 e alterados pela resolução 114/2011 Limites de Dose Anuais [a] Grandeza Órgão Indivíduo Ocupacionalmente Exposto (IOE) Indivíduo do Público Dose Efetiva Corpo inteiro 20 mSv[b] 1 mSv[c] Corpo inteiro (Mulheres grávidas-feto) 1 mSv Dose Equivalente Cristalino 20 mSv[b] Alterado pela Resolução 114/2011 15 mSv Pele[d] 500 mSv 50 mSv Mãos e pés 500 mSv ------ [a] Para fins de Controle Administrativo, o termo dose anual é avaliado de janeiro a dezembro de cada ano. [b] Média aritmética em 5 anos consecutivos, desde que não exceda 50 mSv em qualquer ano (alterado pela Resolução 114/2011 da CNEN). [c] Em circunstâncias especiais a CNEN poderá autorizar até 5 mSv em um ano, desde que a dose média em 5 anos consecutivos seja menor que 1 mSv/ano. [d] Valor médio em 1 cm2 de área, na região mais irradiada Dose Efetiva= Dose Efetiva Externa (exposições) + Dose Efetiva comprometida (incorporações)