2016 grandezas e unidades

msanchesp 568 views 69 slides Feb 19, 2019
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Dosimetria da Radiação Grandezas e Unidades

2 Grandezas Físicas Grandezas Físicas - descreve os processos físicos envolvidos na interação da radiação ionizante com a matéria formação de carga - ionização absorção da energia influência das interfaces A grandeza mais interessante para a determinação da dose no tecido humano, não é acessível a medição direta Bragg e Gray projetaram um experimento que tornou possível a determinação da dose absorvida no tecido

3 Fluência e Fluxo Considerar uma fonte puntiforme que emite partículas N A fonte está localizada no centro de uma esfera de raio R (R) = N / 4R 2 lei do inverso do quadrado fluência = partículas por unidade de área  (m -2 ) fluxo = partículas por unidade de tempo dN / dt (s -1 ) Densidade de fluxo  (m -2 s -1 ) Fonte R  (R)

4 Exposição Definição de exposição(X) quantidade de carga de ionização por unidade de massa de ar a unidade é o roentgen Definição do roentgen (R) 1 R = 2,5810 -4 C kg -1 Explicação 1 R = 1 ese de carga por cm 3 de ar seco carga do elétron = 4,8 10 -10 ese = 1,60210 -19 C  ar = 1,29310 -3 g cm -3 = 1,29310 -6 kg cm -3  1 R = 1 ese cm -3  (1,60210 -19 C / 4,8 10 -10 ese ) / 1,29310 -6 kg cm -3 = 2,5810 -4 C kg -1

5 Equilíbrio Eletrônico Transferência da energia da radiação ionizante para os elétrons do material, que por sua vez transfere energia para outros elétrons. Considere uma pequena área B em uma área muito maior A: o mesmo número de elétrons do lado de fora de B deposita sua energia dentro de B, assim como o mesmo número de elétrons do lado de dentro de B deposita sua energia fora de B. Isso se aplica somente se a área B for maior que o alcance dos elétrons no material. A B

6 Dose Absorvida e Kerma Definição de dose absorvida(D) quantidade de energia absorvida por unidade de massa unidade é o gray ; considerando equilíbrio eletrônico Definição de kerma (K) acronismo: k inetic e nergy r eleased in ma tter quantidade de energia que é transmitida na interação primária unidade é o gray ; o equilíbrio eletrônico é irrelevante definido para radiação indiretamente ionizante (fótons e nêutron) Definição do gray ( Gy ) 1 Gy = 1 J kg -1

7 Partículas Carregadas Considerar um elemento de volume pequeno espessura x (m) superfície O (m 2 ) densidade  (kg m -3 ) poder de frenamento S (J m -1 ) fluência  (m -2 ) Energia absorvida E = ( O)  (S x) (J) Massa M =   (O x) (kg) Dose D = E / M =  S/ (J kg -1 ) Observe as unidades corretas!

8 Fóton Atenuação N = - Nx  N(x) = N(0) e - µ x µ = µ foto + µ Compton + µ par µ = coeficiente de atenuação linear kerma considere a transferência de energia em um elemento de pequeno volume E = transferência de energia  número de fótons interações = (E  - E  )    O  µ x = (1 - E   / E  ) µ  E     O x = µ tr  E     O x M =   O x K = E / M = E    µ tr /  µ tr = coeficiente de transferência linear de energia

9 Fóton Dose absorvida g fração de energia dos elétrons que é convertida em radiação de frenamento ( bremsstrahlung ) D = (1 - g)  K = (1 - g)  E    µ tr /  = E    µ en /  µ en = (1 - g) µ tr = coeficiente de absorção linear de energia E  = 0,5 MeV µ /  µ tr /  µ en /  (m 2 kg -1 ) (m 2 kg -1 ) (m 2 kg -1 ) água 0,00966 0,00330 0,00330 músculo 0,00958 0,00328 0,00328 osso 0,00926 0,00317 0,00317 Ar 0,00868 0,00296 0,00296 Chumbo 0,00886 0,00503 0,00481

10 Interfaces A fluência de fótons em lados opostos da mesma interface de igual kerma em ambos os meios é proporcional a µ tr /  K ~ µ tr /  ~  el /  desde que predomine o efeito Compton no último, para baixa energia prevalece o efeito fotoelétrico, o efeito fotoelétrico aumenta com Z 4 A fluência de elétrons secundários em lados opostos da mesma interface de igual dose em ambos os meios é proporcional a S el /  D ~ S el /  ~  el /  desde que a radiação de frenamento da última seja insignificante, para baixa energia S el aumenta rapidamente K 1 / K 2 = ( µ tr / ) 1 / ( µ tr / ) 2 a energia do fóton é relevante D 1 / D 2 = ( S el / ) 1 / ( S el / ) 2 a energia do elétron é relevante

11 Interfaces E  = 100 keV músculo µ tr /   0,0026 por g cm -2 S el /   4,0 MeV por g cm -2 osso µ tr /   0,0039 por g cm -2 S el /   3,7 MeV por g cm -2 Determinar K músculo / K osso Determinar D músculo / D osso 0,0026 / 0,0039 = 0,7 4,0 / 3,7 = 1,1

Kerma ( K inetic E nergy R eleased in the M edium ) – Energia Cinética Liberada no Meio Por: Efeito fotoelétrico Espalhamento compton Produção de pares Isto é, a energia inicial que é transferida dos fótons para os elétrons ( energia cinética ) presentes no meio de absorção (não é a dose absorvida neste ponto).   onde é a energia média que é transferida para os elétrons em um volume de tecido cuja massa é dm. Kerma é a grandeza que associa mais diretamente a descrição do feixe de radiação com seus efeitos.     Para um feixe de fótons monoenergético cuja energia é h ν e a fluência de fótons é , temos que, Kerma também é igual a : Fluência igual ao número de fótons em um feixe Coeficiente de atenuação mássico – redução percentual no número de fótons presentes no feixe Energia média que é transferida para os elétrons

EXEMPLO Fóton interage com os elétrons dando-lhes energia cinética. O fóton interage por efeito fotoelétrico, espalhamento compton e produção de pares.  

Como pode ser visto no diagrama a Kerma ocorre em um ponto do meio material porém a dose absorvida ocorre mais além deste ponto ao longo da trajetória do fluxo. A Kerma também pode ser dividida em duas partes: 1) Ionização e excitação (dose absorvida) conhecida como K col 2) Perda de radiação ( bremsstrahlung ) conhecida como K rad

Cálculo da Dose Absorvida a partir da Kerma Montagem do simulador em blocos de espessura uniforme (iguais). Considerar que o feixe de fótons entra no bloco 1 movimentando em média 100 elétrons. Considerar também que todos os elétrons possuem a mesma energia média e percorrerá a mesma distância (comprimento de 4 blocos) antes de ficar em repouso.

Todos os elétrons colocados em movimento no bloco 1 serão mostrados como uma linha de modo que será fácil segui-los. Suponha também que não há atenuação do feixe de fótons. Se for esse o caso, então o número de elétrons colocados em movimento pelo feixe vai ser o mesmo no bloco 2, como no bloco 1 ou seja , resultando no mesmo número de elétrons. Isto se repetirá para os outros blocos.

Este "equilíbrio eletrônico" seria também verdadeiro para os blocos subsequentes, desde que o feixe de fótons não seja atenuado. No bloco 5 temos 100 elétrons em repouso e 100 elétrons em movimento, isto é condição de "equilíbrio eletrônico“.       Assim a dose absorvida é apenas a parte da Kerma de colisão, e se assumirmos que não há perdas por bremsstrahlung a dose absorvida é igual a Kerma a partir do bloco 5.

Representação Gráfica da Dose Absorvida versus a Kerma Primeiramente sem a atenuação do feixe de fótons. A Kerma permanece a mesma em todo o volume. Todos os blocos possuem o mesmo número de elétrons em movimento com a mesma energia média. profundidade A dose absorvida (que é produto das interações dos elétrons com o meio material) começará bem pequena no bloco 1 e irá aumentando até atingir o nível máximo no bloco 5 e se manterá constante a partir dai.

Representação Gráfica da Dose Absorvida versus a Kerma Primeiramente sem a atenuação do feixe de fótons. A dose absorvida (que é produto das interações dos elétrons com o meio material) começará bem pequena no bloco 1 e irá aumentando até atingir o nível máximo no bloco 5 e se manterá constante a partir dai. Isto foi feito supondo que não ocorre a atenuação do feixe de fótons. Esta é uma afirmação razoável para feixes de baixa energia, porque os elétrons liberados (de baixa energia) não irão percorrer distâncias grandes no tecido, portanto, a atenuação do feixe de fótons não será apreciável nesta distância. Agora, se a energia do feixe de fótons for alta, então a distância que os elétrons associados podem percorrer será grande. (Um feixe de fótons de 3 MeV a atenuação será superior a 5% ao longo da distância que o elétron pode percorrer).

Representação Gráfica da Dose Absorvida versus a Kerma A razão para a dose absorvida ser maior que a Kerma em qualquer ponto além do pico é que a dose absorvida é causada pela Kerma em uma fase anterior. Uma vez que a dose absorvida é causada pela Kerma em uma fase anterior apresentará um valor maior que a Kerma neste ponto.

21 Interfaces Principio de Bragg-Gray Considere uma esfera B num meio A Substituir o meio B por ar Cavidade do meio B << alcance no ar Espessura da parede A >> alcance no meio Fazer da parede um eletrodo Medir a exposição em B Calcular a partir desta a dose no ar Calcular a partir desta a dose no meio D m / D l = ( S el / ) m / ( S el / ) l B A B A B B

Teoria da Cavidade, Bragg-Gray De acordo com a teoria da cavidade de Bragg-Gray, a ionização produzida numa cavidade em um meio cheio de gás está relacionada com a energia absorvida nas proximidades do meio – desde que a cavidade seja suficientemente pequena de tal modo que a sua introdução não altere o número ou a distribuição dos elétrons presentes no meio sem a cavidade.

Teoria da Cavidade, Bragg-Gray Assim, é possível coletar e medir a carga liberada no gás, e na sequência calcular a dose absorvida no gás, que esta no interior da câmara, em seguida relacionar com a dose absorvida no meio (desde que a cavidade seja pequena). Acontece que a energia média necessária para provocar uma ionização no gás é constante para uma grande variação de pressão do gás e energias dos elétrons. A energia necessária é representada por W é para o ar apresenta um valor médio de:

Dose Absorvida Assim, devido a teoria da cavidade de Bragg-Gray a dose absorvida pode ser relacionada com a ionização produzida no gás pela equação: Mas esta é a dose absorvida do gás e não do meio. Para determinar a dose absorvida do meio, primeiro devemos determinar a dose da parede da cavidade. O ideal seria que a parede fosse feita de “água" mas isto não é prático, portanto é utilizado carbono como material da parede. Então, tem que estabelecer as propriedades do carbono em relação à água para calcular a dose na água.

Dose Absorvida Cálculo da dose absorvida a partir da exposição

Dose Absorvida Cálculo da dose absorvida a partir da exposição

Dose Absorvida Em qualquer meio = a energia chegando no ponto vezes o coeficiente mássico de absorção de energia para o ar Próximo a uma pequena massa de tecido, cujo raio é grande suficiente para obter equilíbrio eletrônico, no ponto de interesse.

Dose Absorvida Em qualquer meio Dose absorvida no centro do tecido Coeficiente mássico de absorção de energia para o tecido

Dose Absorvida Em qualquer meio Mas: Este é o fator f que é denominado de fator de conversão de Roentgen para rad . Deve ser calculado para cada meio (tecido, osso, musculo, etc.) e energia do fóton. Os valores podem ser obtidos em tabelas.

Dose Absorvida Em qualquer meio Este é o último fator e é a razão entre a energia no ar e a energia no centro de pequena massa do tecido. Este fator de transmissão é simbolizado pela letra A .

Dose Absorvida Em qualquer meio  

Dose Absorvida Em qualquer meio Exemplo: Determine a dose absorvida para o osso quando a energia de um feixe de radiação é 30 keV e a exposição é 153,5 R?

33 Constante para Fonte de Elétrons Alcance  R = 5E (kg m -2 ) =    dE / S Poder de frenamento  / S = 5 (kg m -2 por MeV ) S /  = 0,2 ( MeV por kg m -2 ) = 3,2  10 -14 (J por kg m -2 )

34 Constante para Fontes de Elétrons Esfera de raio R (m) ao redor de uma fonte puntiforme de atividade A ( Bq ) Taxa de fluência d / dt = 3600  A / (4R 2 ) (m -2 h -1 ) Energia absorvida E = d / dt  4R 2  (S / )  ( x) = 1,15  10 -10 A  x (J h -1 ) Massa da esfera M =   4R 2 x (kg) Taxa de dose dD / dt = E / M = 9,2  10 -12 A / R 2 = d  A / R 2 ( Gy h -1 ) Constante da fonte d = 9,2  10 -12 ( Gy m 2 Bq -1 h -1 ) = 9,2 ( µ Gy m 2 MBq -1 h -1 )

35 Constante da Fonte – Visão Geral De modo semelhante a constante da fonte pode ser calculada para radiação  Radiação d ( µ Gy m 2 MBq -1 h -1 )  9  E  / 7

36 Limites para as Grandezas Dois parâmetros de dose definidos pelos limites regulamentadores Dose equivalente para cristalino dos olhos, pele e extremidades Dose efetiva Portanto estas variáveis são denominadas valores limitantes fundamentais.

37 Dose Equivalente Definição de dose equivalente H produto do fator de ponderação da radiação pela dose absorvida H = w R  D unidade em sievert Grandeza que define os limites regulamentadores para órgãos/ tecidos do corpo. Definição de sievert ( Sv ) 1 Sv = 1 J kg -1

38 Fator de Ponderação para Radiação w R (ICRP-60) Variável relacionada com Q, RBE , LET e S Fóton 1 (ICRP-26 Q = 1) Elétron 1 (ICRP-26 Q = 1) Nêutron (ICRP-26 Q = 2 - 11) < 10 keV 5 10 - 100 keV 10 0,1 - 2 MeV 20 2 - 20 MeV 10 > 20 MeV 5 Próton 5 (ICRP-26 Q = 10) Partícula  20 (ICRP-26 Q = 20)

39 Dose Efetiva Definição de dose efetiva (E) soma ponderada das doses equivalentes nos órgãos E =  T w T  H T  T w T = 1 Unidade em sievert A dose efetiva é definida como um limite regulamentador fixo anual Definição do sievert ( Sv ) 1 Sv = 1 J kg -1

40 Fator de ponderação para tecidos w T (ICRP-60) Gônadas 0,20 (ICRP-26 w T = 0,25) Medula óssea vermelha 0,12 (ICRP-26 w T = 0,12) Cólon parte inferior 0,12 Pulmões 0,12 (ICRP-26 w T = 0,12) Estômago 0,12 Bexiga 0,05 Mamas 0,05 (ICRP-26 w T = 0,15) Fígado 0,05 Esôfago 0,05 Tireóide 0,05 (ICRP-26 w T = 0,03) Pele 0,01 Superfície óssea 0,01 (ICRP-26 w T = 0,03) “Dez" outros órgãos 0,05 (ICRP-26 w T = 0,30) Derivado da contribuição relativa no detrimento global

41 “Dez” outros órgãos ICRP-26 ICRP-60 ICRP-67 ICRP-68 5 órgãos 10 órgãos 9 órgãos 10 órgãos elk w T = 0,06  w T = 0,05  w T = 0,05  w T = 0,05 supra renais supra renais supra renais cérebro cérebro cérebro cólon (parte superior) ET intestino delgado intestino delgado intestino delgado rins rins rins músculo músculo músculo pâncreas pâncreas pâncreas baço baço baço timo timo timo útero útero útero

42 Fator de ponderação para os demais órgãos w resto = 0,05 H resto =  T ( m T  H T ) /  T m T Quando a dose equivalente do órgão T * do grupo restante é maior do que a de qualquer outro órgão com um fator de ponderação separado, aplica-se o seguinte: H resto = 0,5   T  T * [ H T  m T /  T m T ] + 0,5  H T * Irradiação parcial de órgão quando uma parte do órgão T é irradiada interna ou externamente a energia absorvida é depositada sobre toda a massa m T do órgão. “Dez” outros órgãos

43 Narrativa Evite linguagem incorreta … uma dose de 2 Sv na tireóide … O que você entende por isso: Uma dose absorvida de 2 Gy na glândula tireóide? Uma dose equivalente de 2 Sv na glândula tireóide? Uma dose efetiva comprometida de 2 Sv como consequência da irradiação da glândula tireóide? Determinar H tireóide no caso 1 Determinar E no caso 2 Determinar H tireóide no caso 3 1 Sv / Gy  2 Gy = 2 Sv 0,05  2 Sv = 0,10 Sv 2 Sv / 0,05 = 40 Sv

44 Dose Efetiva Ordem de grandeza Dose média anual na população  2 mSv Limite de dose anual para público 1 mSv Limite de dose anual para trabalhadores 20 mSv Dose letal > 10 Gy

45 Dosimetria Operacional

46 Índice Grandezas operacionais Esfera ICRU Equivalente de dose ambiente Equivalente de dose direcional Equivalente de dose pessoal Relação com E

47 Grandezas Operacionais A dose equivalente no cristalino, pele e extremidades H T , e a dose efetiva E são os limites regulamentadores, porém não podem ser medidos diretamente. Portanto, tem que ser definida uma série de grandezas operacionais que pode ser medida. Com a simulação de cálculo pode ser mostrado que as grandezas operacionais são boas estimativas das grandezas H T e E .

48 Esfera da ICRU Grandezas Físicas , E S, µ tr , µ en Grandezas Física de Dose K, D Grandezas Operacionais de Dose H*(d), H(d,), H p (d) Limites de Dose H T , E, E 50 Esfera da ICRU diâmetro = 30 cm tecido-equivalente 10,1 % H em peso 76,2 % O em peso 11,1 % C em peso 2,6 % N em peso medida no ponto P a uma profundidade d em mm P

49 Equivalente de Dose Ambiente Definição do equivalente de dose ambiente H*(d) O campo de radiação no ponto P é imaginariamente estendido sobre uma área, em toda a esfera da ICRU (campo expandido) e toda a radiação que incide no ponto P tem direção frontal (campo alinhado). H*(d) é equivalente à dose que seria medida na esfera ICRU a uma profundidade d em mm no campo expandido e alinhado. Unidade em sievert ( Sv ) O equivalente de dose ambiente é uma boa estimativa da dose efetiva E.

50 Equivalente de Dose Direcional Definição do equivalente de dose direcional H  (d,  ) O campo de radiação no ponto P é imaginariamente estendido sobre uma área de tal modo que cobre toda a esfera da ICRU (campo expandido) H  (d,  ) é equivalente à dose a uma profundidade d em mm na esfera da ICRU que seria medida se o campo de radiação fosse expandido no ponto P, mas não alinhado (radiação que vem de todas as direções ) Unidade em sievert ( Sv ) H  (d, ° ) = H*(d)

51 Equivalente de Dose Pessoal Definição do equivalente de dose pessoal H p (d) H p (d) é equivalente à dose que seria medida a uma profundidade d em mm no tecido mole (não na esfera da ICRU ), num ponto apropriado do corpo. Para a esfera da ICRU é usado o cálculo numa fatia da esfera ICRU , assim os valores obtidos são indicados por H p,esfera e H p,fatia Equivalente de dose de corpo inteiro H p (10) Equivalente de dose de cristalino H p (3) Equivalente de dose de pele H p (0,07) Unidade em sievert ( Sv )

52 Grandezas Operacionais AP = anterior-posterior ROT = rotacional simétrica LLAT = lateral esquerda PA = posterior-anterior ISO = isotrópica RLAT = lateral direita RLAT LLAT ISO ROT PA AP

53 Grandezas Operacionais Todos os valores em (em Sv ) estão relacionados com a kerma no ar (em Gy ) O que provoca o pico?

54 Grandezas Operacionais A fluência de fótons a 1 cm de profundidade na esfera da ICRU é definida por: Definido µ = µ ’, escolhendo C = 7 e integral para infinito; isto resulta:

55 Grandezas Operacionais

56 Dosimetria Pessoal

57 Índice Dosimetria com detectores Dosimetria de área Dosimetria pessoal Unidades antigas rad rem Novidades ICRP-103

58 Dosimetria de Área Lei do Inverso do Quadrado Lei do Inverso do Quadrado H* = h A t / r 2 Regra básica para a constante da fonte h a 1 m de 1 MBq (não considerando a absorção) Fonte α 5000 µ Sv h -1 Fonte  10 µ Sv h -1 Fonte  0,14 E  µ Sv h -1

59 Dosimetria de Área Tubo GM O fóton  gera fotoelétrons e Compton-elétrons na parede do tubo. Os elétrons presentes no gás faz aumentar os pulsos de contagem. Quanto maior é a energia , maior é a probabilidade do elétron escapar.  N descarga de pulso  N   E   H* gás Não se pode medir com o tubo Geiger-M üller E  como é que você pode medir o H*?

60 Dosimetria Pessoal DTL Sensível, não tecido-equivalente (requer filtro para energias) CaF 2 CaSO 4 Menos sensível, equivalente ao tecido LiF Li 2 B 4 O 7 O uso de DTL é obrigatório para IOE . O dosímetro fotográfico foi completamente substituído pelo DTL ou EPD como dosímetro complementar.

61 Dosímetro Pessoal Pela sua construção fornece informações sobre: H p (10)  dose profunda  dose efetiva H p (0,07)  dose superficial  dose de pele Tipo de radiação (, , n) Energia da radiação Limite de medida = 0,01 mSv Para H p > 1 mSv a -1 exige-se uma precisão de: 2/3 H p (real) < H p (medido) < 3/2 H p (real)

62 Dosimetria Pessoal Dosimetria com detectores Dosimetria de área Dosimetria pessoal Unidades antigas rad rem Novidades ICRP-103

63 Unidades Antigas Definição de " r adiation a bsorbed d ose" ( rad ) 1 rad = 0,01 Gy Definição de " r oentgen e quivalent m an " (rem) 1 rem = 0,01 Sv Explicação 1 rad = 100 erg/g 1 erg = 10 -7 J 1 rad = 100 erg/g  10 -7 J/erg  10 3 g/kg = 0,01 J/kg = 0,01 Gy 1 rem = 0,01 Sv 1 R = 2,5810 -4 C/kg / 1,60210 -19 C = 1,61010 16 ionen per kg  1,61010 15 íons por kg  34,0 eV por íon  1,60210 -19 J/ eV = 0,0088 J/kg  0,01 Gy = 1 rad

64 Dosimetria Pessoal Dosimetria com detectores Dosimetria de área Dosimetria pessoal Unidades antigas rad rem Novidades ICRP-103

65 Novidades Fator de Ponderação para Radiação w R ICRP-26 ICRP-60 ICRP-103 Fóton, elétron 1 1 1 Nêutron < 10 keV 2 5 2,5 10 - 100 keV 10 7,5 0,1 - 2 MeV 11 20 20 2 - 20 MeV 10 10 > 20 MeV 5 5 Próton 10 5 2 Partícula  20 20 20 H = w R  D foi renomeado como Dose ponderada para a radiação, pode haver uma nova unidade para H.

66 Novidades Fator de Ponderação para os Tecidos w T ICRP-68 ICRP-103 gônadas 0,20 gônadas 0,08 medula óssea vermelha 0,12 medula óssea vermelha 0,12 cólon 0,12 cólon 0,12 pulmões 0,12 pulmões 0,12 estômago 0,12 estômago 0,12 bexiga 0,05 bexiga 0,04 mamas 0,05 mamas 0,12 fígado 0,05 fígado 0,04 esôfago 0,05 esôfago 0,04 tireóide 0,05 tireóide 0,04 pele 0,01 pele 0,01 superfície óssea 0,01 superfície óssea 0,01 cérebro 0,01 glândulas salivares 0,01 10 órgãos restantes 0,05 13 órgãos restantes 0,12

67 Novidades Demais Órgãos ICRP-68 ICRP-103 10 órgãos 13 órgãos  w T = 0,05  w T = 0,12 suprarrenais suprarrenais vesícula biliar cérebro coração ET ET gânglios linfáticos Intestino delgado intestino delgado mucosa bucal rins rins músculos músculos pâncreas pâncreas baço baço timo timo útero útero/ próstata

68 Novidades ICRP 103 A regra de adição é simplificada para outros órgãos → H resto =  T H T / 13 Pode haver fatores de ponderação de tecidos para efeitos diretos “efeitos diretos" agora denominados “efeitos adversos para os tecidos" O limite para cristalino dos olhos foi reduzido H cristalino = 20 mSv por ano.

69 Matias Puga Sanches [email protected] PERGUNTAS?
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