A Física Médica e a importância da profissão

Para falarmos dessa profissão tão importante para a área da física, mas também, para a área da saúde é fundamental pontuar historicamente alguns acontecimentos.

Leonardo da Vinci pode ser considerado um dos pioneiros da Física Médica devido aos seus estudos, no século XVI, acerca da biomecânica e da locomoção humanas, do movimento do coração e do fluxo sanguíneo no sistema cardiovascular.

Os conhecimentos da óptica possibilitaram a invenção do microscópio, que por sua vez possibilitou aos médicos uma melhor compreensão sobre anatomia e histologia, bem como a descoberta e o estudo de microorganismos no século XVII.

A descoberta dos raios X pelo alemão Wilhelm Conrad Röntgen, em 1895, é um marco na Física que continua a exercer um grande impacto na Medicina. Além de render-lhe o primeiro Prêmio Nobel de Física, o trabalho de Röntgen abriu caminhos para estudos que renderiam também o Prêmio Nobel a Antoine Henri Becquerel, Pierre e Marie Curie, pelas observações e interpretações das emissões de partículas provenientes de materiais radioativos (radioatividade). Em 1908, por formular hipóteses sobre substâncias radioativas, Ernest Rutherford foi laureado com o Nobel de Química.

Além desses, muitos outros cientistas receberam o Prêmio Nobel pelos seus trabalhos com a radioatividade. A utilização da substância rádio no tratamento de câncer de pele foi introduzida logo após a sua descoberta. Rapidamente evidenciaram-se os perigos de seu uso não controlado das substâncias radioativas, pois foram causa mortis e de doenças em pacientes tratados, e em alguns desses cientistas pioneiros. A partir dessa constatação, as primeiras organizações internacionais responsáveis pelas recomendações de proteção radiológica foram criadas.

A utilização de raios X e radioatividade no diagnóstico e na terapia foram responsáveis pela introdução de profissionais físicos no meio hospitalar, incorporando o aspecto interdisciplinar dessa nova área. O físico e matemático suíço Theophil Friedrich Christen doutorou-se em Medicina em 1905. Christen realizou treinamento médico e visitou importantes hospitais na Inglaterra e nos EUA. Ao retornar a Berna, criou uma clínica médica onde se dedicou principalmente à recém-criada área de Radiologia e preparou-se para o exame de habilitação em Fisioterapia. Em 1908, diante da Faculdade de Medicina de Berna defendeu uma tese não convencional para a época na área de Física Médica intitulada "A clareza das chapas médicas como problema de absorção" (Die Deutlichkeit des Röntgenbildes als Absorptionsproblem).

Nessa época, mais precisamente em 1913, o físico William Duane iniciou um trabalho sobre o uso de fontes de radônio para o tratamento de câncer num hospital em Boston. No mesmo ano, outro físico, Sydney Russ, começou a trabalhar com o mesmo problema no Middlesex Hospital em Londres. Gioacchino Failla, em Nova York, em 1915, com o objetivo de empregar radiações em procedimentos terapêuticos, iniciou a construção de geradores de radônio. Dessa forma, podemos afirmar que há um século estava criada a Física Médica.

O caráter interdisciplinar entre a Física e a Medicina pode ser destacado nos prêmios Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1979, divididos entre o Físico Allan Cormack e o engenheiro Godfrey Hounsfield pelo desenvolvimento da Tomografia Computadorizada, e pelo prêmio de 2003, compartilhado entre o físico Peter Mansfield e pelo químico Paul Lauterbur devido aos seus trabalhos no desenvolvimento da técnica de imagens por ressonância magnética.

Na década de 1950, médicos e profissionais de Física Médica já atuavam em conjunto. Nas décadas de 1960 e 1970, foram criadas legislações estabelecendo a atuação desse profissional em algumas áreas médicas, como radioterapia e Medicina nuclear. No Brasil, a área de Física Médica foi estruturada com a criação da Associação Brasileira de Física Médica (ABFM), em 1969. O nascimento desta Associação teve forte influência de profissionais da Universidade de São Paulo, tendo sua concepção ocorrida em uma reunião no Centro de Medicina Nuclear da Faculdade de Medicina da USP. Esta Associação tem um importante papel de liderança na Física Médica da América Latina, é associada à Associación Latino Americana de Física Médica (ALFIM) e à International Organization of Medical Physics (IOMP) e é muito respeitada internacionalmente.

Atualmente, o profissional físico médico atua principalmente nas áreas de radiologia diagnóstica e intervencionista, medicina nuclear, radioterapia, radiocirurgia, proteção radiológica, metrologia das radiações, biomagnetismo, radiobiologia, processamento de sinais e imagens biomédicas.

Apesar de o surgimento da Física Médica estar associado ao uso da radiação ionizante, essa área do conhecimento não mais se restringe a esse tipo de radiação. Assim, o crescente campo de atuação e contribuição dos profissionais da área de Física Médica é uma natural consequência do rápido avanço da ciência e da tecnologia, que tem trazido grande impacto nas condutas e nos procedimentos médicos e da saúde populacional. Como exemplo, podemos citar a biofotônica em que se tem constatado intenso avanço e desenvolvimento de novas técnicas de diagnóstico e terapia.

Esse ramo da Física é essencialmente multidisciplinar — pois trabalha com conhecimentos e técnicas básicas específicas da junção da Física, Biologia e Medicina — abrangendo hoje uma ampla área de atuação. O físico médico aplica os conhecimentos físicos em múltiplas técnicas terapêuticas, proporcionando fundamentação e bases teóricas para as modernas tecnologias aplicadas na área médica, ao mesmo tempo em que estabelece e avalia critérios de utilização segura e eficaz dos agentes físicos na área de saúde.

Os físicos médicos também participam, integrados e em sinergia com outros profissionais, da elaboração das bases necessárias de medição de variáveis biomédicas, desde calibração de equipamentos e monitoração de controle de radiação até controle de qualidade nos equipamentos empregados na área da saúde.

A FÍSICA MÉDICA NO BRASIL E NO IFUSP

A Física Médica no Brasil iniciou-se em 1969 através do curso de Física das Radiações na graduação do Bacharelado em Física, no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP). Na época, devido à falta de laboratórios especializados e de equipamentos próprios, alguns hospitais cederam seus equipamentos bem como suas instalações físicas.

O Instituto de Física da USP possui grande experiência na formação de pessoal de nível superior nas áreas associadas à Física Médica. Pelo Laboratório de Dosimetria e pelo grupo de Biofísica e Física Médica deste Instituto, sob a liderança das profas. Cecil Robilotta, Emico Okuno, Marília Teixeira da Cruz e Elisabeth Yoshimura, já foram formados mais de 30 mestres e cerca de 15 doutores em áreas correlatas à da Física Médica. Além disso, professores deste grupo costumam ministrar disciplinas que fomentam a formação de profissionais nesta área, como a Física das Radiações, Física do Corpo Humano, Efeitos Biológicos das Radiações Ionizantes e Não-ionizantes, entre outras.

Além da formação de profissionais, o Grupo de Dosimetria das Radiações e Física Médica do IFUSP desenvolve pesquisas aplicadas a diferentes áreas de fronteira na Física Médica. Entre elas, destaca-se:

• Desenvolvimento de materiais dosimétricos;
• Técnicas de dosimetria aplicada à tomografia computadorizada e à mamografia;
• Espectrometria de raios X aplicadas ao diagnóstico por imagens;
• Desenvolvimento de materiais radiologicamente equivalentes para aplicações em proteção radiológica;
• Técnicas de controle de qualidade e dosimetria aplicadas em modalidades de diagnóstico por imagens;

Mais informações sobre o Grupo de Dosimetria das Radiações e Física Médica do IFUSP:

Laboratório de Dosimetria da Radiação

Docente Responsável: 

Elisabeth Mateus Yoshimura (Coordenadora), Ana Regina Blak, Paulo Roberto Costa e Emico Okuno

Email: 

e.yoshimura@dfn.if.usp.br; anablak@if.usp.br;  pcosta@if.usp.br  e emico.okuno@dfn.if.usp.br

Telefones: 

3091.6991/ 3091.6849/ 3091.7005

Da Assessoria de Comunicação do Instituto de Física da USP:

Contribuições de simulações moleculares e nanotecnologia para recuperação melhorada de petróleo e transição energética com uso limitado de carbono

Por Prof. Caetano R. Miranda (DFMT – IFUSP)

               Entre os grandes desafios e problemas enfrentados hoje na área de Energia, em particular pela indústria do setor petrolífero, estão a recuperação melhorada do óleo e a exploração de fontes alternativas aos combustíveis fósseis. Uma tendência clara é a transição energética com o uso limitado de fontes de energia a base de carbono. Os avanços recentes em materiais nanoestruturados abriram uma ampla gama de novos materiais multifuncionais com um potencial promissor para o desenvolvimento de tecnologias energéticas mais eficientes para a exploração de combustíveis fósseis, bem como energias renováveis dentro do contexto de ciclo de carbono neutro (sem emissão de CO2).

               O grupo Sampa (Simulação Aplicada a Materiais: Propriedades Atomísticas) do Instituto de Física da USP vem desenvolvendo projetos em parcerias com empresas do setor de Petróleo e Gás e agências de fomento para o desenvolvimento de tecnologias para transição energética com uso limitado de carbono utilizando simulações moleculares e nanotecnologia. Os projetos caminham na direção de otimizar processos de extração de petróleo de maneira amigável ao meio-ambiente, propor nanoestruturas para catálise de etanol e desenvolvimento dos chamados combustíveis solares, matérias primas de maior valor agregado obtidas a partir do CO2 utilizando processos fotocatalíticos (com energia solar).

1)      Água “Esperta”

               Com a escassez de novas reservas, aumento da demanda e variações nos preços de derivados do petróleo, os processos de recuperação melhorada de petróleo tornaram-se não apenas necessários, mas economicamente viáveis. Esses processos visam revitalizar reservatórios maduros, aumentando a produção e estendendo assim seus ciclos de vida.

Com os recentes avanços tecnológicos e computacionais, tornou-se possível prover uma caracterização mais precisa dos reservatórios, permitindo a proposição de cenários e agilizando o processo de decisões no planejamento e desenvolvimento dos reservatórios para maximização da recuperação do petróleo. Entretanto, os chamados simuladores de reservatórios têm sua capacidade limitada, não apenas pelos modelos empregados, mas também pela confiabilidade e acurácia dos dados de entrada. No caso dos modelos, estes têm que descrever a complexidade de fenômenos físico-químicos que ocorrem durante o processo de injeção, acoplando as equações de fluxo de multicomponentes com as propriedades termodinâmicas dos sistemas envolvidos. Essas são muitas vezes ou desconhecidas ou não válidas na condição do reservatório.

               Usualmente, fluídos (salmoura, CO2, N2) são injetados com uma alternativa para aumentar a eficiência de extração do óleo em rochas, alterando dessa forma a permeabilidade e a pressão do óleo nas rochas. Recentemente, observou-se, a partir de diversos trabalhos experimentais e de modelagem, que a injeção de água de baixa salinidade leva a uma melhoria nos processos de EOR. Um dos grandes atrativos desse processo é o fato de ser uma tecnologia ambientalmente amigável e utilizar insumos in-situ.

               Entretanto, para uma aplicação otimizada, é necessário conhecer os mecanismos moleculares de seu funcionamento para a proposição da composição salina ótima para injeção. Nesse sentido, o Projeto “Simulações moleculares em multiescala com aplicações em recuperação melhorada de petróleo: baixa salinidade em carbonatos.”  com financiamento da Petrobras, visa utilizar simulações moleculares, para podemos obter diretamente informações sobre os mecanismos relacionados a melhora na extração por injeção de água de baixa salinidade, quantificarmos parâmetros relacionados às propriedades físico-químicas das interfaces, dissolução e precipitação das rochas que compõem o Pré-Sal, bem como efeitos de confinamento e das geometrias dos poros.  O conhecimento desses parâmetros a nível molecular, otimizam as escolhas das formulações dos fluidos a serem injetados. A integração das propriedades obtidas via simulações moleculares, podem diminuir as incertezas em simuladores de reservatórios (em escala de centenas de metros e quilômetros), melhorando o poder de predição e consequentemente maior embasamento para as decisões a serem tomadas pelos engenheiros de petróleo.

2)      Catálise de etanol

Outra linha de pesquisa é o desenvolvimento de nanoestruturas para catálise de etanol a serem utilizadas como combustível nas chamadas células a combustível, que tem uma eficiência na conversão de energia muito maior que motores a combustão interna (queima do etanol). Nesse sentido, a partir dos chamados cálculos de primeiros princípios estamos projetando nanopartículas metálicas do tipo core-shell que possam catalisar a quebra das ligações na molécula do etanol de forma mais eficiente utilizando materiais mais abundantes e com custo reduzido.  Nossos estudos mostraram que nanopartículas a base de Ouro e Platina induzem um alongamento da ligação C-O, que pode ser explorada para melhorar a reação de oxidação do etanol.

3)      Combustíveis solares

Também estamos desenvolvendo nanoestruturas que permitam a conversão do CO2 em outras matérias-primas com maior valor agregado (como metanol, ácido fórmico, etc). Para isso, é necessário entender a seletividade dessas nanoestruturas para cada um dos produtos e desenvolver nanoestruturas que possam otimizar esses processos.

CONTATO:

Prof. Dr. Caetano Rodrigues de Miranda

Telefone: (11) 3091-7009

E-mail: cmiranda@if.usp.br

Da Assessoria de Comunicação do Instituto de Física da USP:

Quando as colisões de prótons e prótons se tornam estranhas

Por Sung Chang

PHYSICS TODAY

05 DE JUNHO DE 2017 – Editoria: Pesquisa e Tecnologia

Doi: 10.1063/PT.6.1.20170605a

Sung Chang articulista do jornal Physics Today, da APS (Associação Americana de Física), destacou artigo recentemente publicado na revista Nature Physics, por cientistas de vários países incluindo brasileiros que atuam na colaboração internacional ALICE do CERN (Centro Europeu de Energia Nuclear), em que o mundo da física ficou entusiasmado com a descoberta de que, nas colisões de íons com prótons, o rendimento relativo de partículas que contêm quarks estranhos aumenta com a multiplicidade de partículas carregadas.

A observação destes sinais levantou questionamentos a respeito do poder de discriminação destas partículas em um cenário no qual há de fato a formação de um QGP (Quark-Gluón-Plasma) e, num outro, em que não há o desconfinamento de quarks e gluóns. Para muitos pesquisadores, a investigação deste problema é crucial para a compreensão de colisões nucleares de alta energia em geral. 

A estranheza é outra característica da formação de QGP.  Nesse trabalho de pesquisa publicado na revista Nature Physics em 24 de abril (DOI: 10.1038 / nphys4111), pesquisadores reportaram resultados do “Experimento ALICE” mostrando que a produção de estranheza é igualmente aumentada. A hipótese levantada, embora com estudos ainda não conclusivos, aponta evidências de que o QGP pode se formar mesmo em colisões entre prótons.   

Para o pesquisador Marcelo Munhoz, docente do Instituto de Física da USP, que faz parte do grupo de cientistas brasileiros atuantes no experimento ALICE e que estão desenvolvendo o chip SAMPA, “a ideia é que o chip desenvolvido no Brasil e que ainda está em fase de testes possa fazer um upgrade dos equipamentos a partir de 2020 e isso permita o ALICE operar com taxas de colisões mais altas, onde as colisões de alta multiplicidade possam ser mais frequentes e se estendam a multiplicidades mais altas”.

Ajudar a estabelecer de forma decisiva se o QGP pode realmente ser criado em colisões entre prótons é um dos grandes desafios dos pesquisadores e a vantagem de se estudar essas colisões é que os cientistas podem investigar as propriedades do QGP em um sistema muito mais simples que o pesquisado em colisões de íons pesados. Para o professor Marcelo Munhoz “é realmente fascinante estudar e procurar compreender quais processos físicos permitem a formação de um sistema tão complexo como o QGP em colisões entre prótons”.

As pesquisas e o protótipo do chip SAMPA receberam financiamento da FAPESP.

O artigo “Enhanced production of multi-strange hadrons in high-multiplicity proton–proton collisions”, publicado em 24 de abril de 2017 está disponível online em acesso livre no link da revista Nature Physics:

https://www.nature.com/nphys/journal/v13/n6/full/nphys4111.html

Contato:

Marcelo Gameiro Munhoz - IFUSP (011) 3091-6940 – E-mail: munhoz@if.usp.br

Da Assessoria de Comunicação do Instituto de Física da USP:

Imagem: divulgação LBA e GoAmazon

Pesquisas do experimento GoAmazon revelam novas complexidades das emissões de compostos orgânicos voláteis

Autores:

Assinam o artigo 22 autores, entre eles: Paulo Artaxo (Instituto de Física da USP), Dasa Gu e Alex Guenther (Universidade da Califórnia), Scot Martin, (Universidade de Harvard), Rodrigo Souza (Universidade do Estado do Amazonas - UEA), e Oscar Vega (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN).

Revista Nature Communications, publicado em 23 de maio de 2017.

Cientistas brasileiros, americanos e europeus chegaram à conclusão de que as emissões de isopreno na floresta amazônica são muito maiores do que apontavam resultados anteriores. Um trabalho publicado na revista Nature Communications em 23 de maio (DOI: 10.1038/ncomms15541), reportando resultados do “Experimento GoAmazon 2014/2015” sobre as propriedades da atmosfera no entorno da cidade de Manaus, Amazonas, mostrou como as emissões urbanas de Manaus interagem com as emissões da floresta. Para isso, realizaram medidas detalhadas em solo e no perfil vertical da atmosfera, utilizando aviões até 15 quilômetros de altura.

Após extensas medidas com o avião de pesquisas Gulfstream G1, do Departamento de Energia dos Estados Unidos, os pesquisadores concluíram que as emissões de isopreno são aproximadamente três vezes maiores do que os valores obtidos através de medidas por satélites. De acordo com o físico Paulo Artaxo, da USP, um dos autores deste estudo da Nature, a importância desta descoberta está no fato de que o isopreno é um dos principais gases precursores da formação de ozônio, o que afeta a capacidade oxidativa da atmosfera.

“A floresta, em seu metabolismo, emite uma série de compostos orgânicos voláteis biogênicos, sendo o de maior intensidade o isopreno. Estamos entendendo melhor como funcionam os complexos processos atmosféricos na região, pois a oxidação do isopreno produz partículas de aerossóis e também afeta profundamente a química da formação de ozônio”, explica Artaxo.

Segundo ele, também foi observado que as emissões variam “fortemente” com a elevação do terreno da floresta, fato jamais observado em medidas anteriores. Para uma elevação de 30 metros, o fluxo de isopreno foi de 6 mg/m2/h, enquanto o mesmo fluxo para uma elevação do solo de 100 metros forneceu valores de fluxo de isopreno de cerca de 14 mg/m2/h.  Não é clara a razão desse “curioso” efeito. “Pode ser causado por variações nas espécies de árvores, associada à alta biodiversidade da Amazônia, ou diferentes quantidades de água com a elevação do terreno. É também possível que em áreas mais altas, que possuem menor acesso à água, as plantas respondam a este stress emitindo mais isopreno”, acrescenta Artaxo.

Os dados foram também analisados por diversos modelos atmosféricos e de uso do solo, entre eles o “Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature (MEGAN)”, que auxiliou na interpretação entre os fluxos medidos e o que se espera da fisiologia das plantas e fatores meteorológicos. “Os vários modelos utilizados na interpretação dos dados resultaram em um importante impacto na fotoquímica regional e na qualidade do ar como resultados destas maiores emissões de isopreno”, salienta Artaxo.

Foram utilizados também os modelos “Community Land Model”, WRF-Chem, e o MEGAN, além de medidas do sensor MODIS e do “ASTER Global Digital Elevation Model (ASTER GDEM)” para a determinação da elevação do terreno com resolução de 30 metros. Artaxo destaca que estudos na Amazônia estão fornecendo conhecimentos importantes sobre processos químicos e físicos na atmosfera, tanto em áreas não impactadas pelo homem, quanto em áreas poluídas por emissões de queimadas ou emissões urbanas de Manaus.

Além de Artaxo, assinam o artigo mais 21 autores, entre eles Dasa Gu e Alex Guenther, da Universidade da Califórnia em Irvine, Scot Martin, de Harvard, Rodrigo Souza da Universidade do Estado do Amazonas (UEA), e Oscar Vega do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN).

O artigo está disponível online em acesso livre no link da revista Nature Communications:

https://www.nature.com/articles/ncomms15541

Contato:

Paulo Eduardo Artaxo Netto - IFUSP (011) 3091-7016 – E-mail: artaxo@if.usp.br