DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA COMPUTACIONAL PARA EDIÇÃO DE OBJETOS 3D E ANÁLISE DE RESULTADOS DOSIMÉTRICOS

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Samuel Batista Conceição
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1 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA COMPUTACIONAL PARA EDIÇÃO DE OBJETOS 3D E ANÁLISE DE RESULTADOS DOSIMÉTRICOS Autor: Marcelo Severo Alves Co-autor: Prof. Dr. Fernando Roberto de Andrade Lima Co-autor: Prof. Dr. José Wilson Vieira RECIFE 2013

Marcelo Severo Alves Co-autor: Prof. Dr.

2 1. Introdução Avaliações dosimétricas através de simulações Monte Carlo são uma linha de pesquisas que têm despertado interesses em diversos grupos de pesquisadores, com a intenção de estimar a distribuição de dose absorvida pelo corpo humano quando exposto à radiação. Esta não é uma tarefa fácil, pois as grandezas envolvidas são quantidades operacionais e a energia absorvida pelo corpo humano, quando exposto à uma fonte interna de radiação, não pode ser medida diretamente. Desta maneira, faz-se uso de um modelo computacional de exposição (MCE) para se estimar a dose absorvida nos mais diversos tecidos e órgãos do corpo humano. Relatório 89 ICRP (2003) Fantomas de voxel Algoritmo de fonte Código Monte Carlo Fantomas de malhas Fantomas de voxel Algoritmo da fonte Código Monte Carlo Fantomas de malhas Algoritmo da fonte Código Monte Carlo? AVALIAÇÃO DOSIMÉTRICA

Esta não é uma tarefa fácil, pois as grandezas envolvidas são quantidades operacionais e a energia absorvida pelo corpo humano, quando exposto à uma fonte interna de radiação, não pode ser medida

3 2. Objetivos Objetivo geral: Desenvolver um sistema computacional para edição de objetos 3D com análise gráfica e numérica de resultados dosimétricos. Objetivos específicos:» Editar um fantoma sadio visando estimar à dose que chega a uma região específica durante a realização de uma braquiterapia com uma fonte de Irídio- 192;» Desenvolver um algoritmo para simular uma fonte de Ir 192, a ser acoplado a um código Monte Carlo para simulação dosimétrica;» Estimar à dose que chega a um determinado órgão durante a realização de um procedimento de braquiterapia de um câncer situado na porção média do esôfago, com uma fonte de Irídio-192;» Criar um aplicativo que processe imagens digitais permitindo, através de menus, a realização de algumas tarefas corriqueiras à análise dosimétrica, de forma mais simples, rápida e interativa.

algoritmo para simular uma fonte de Ir 192, a ser acoplado a um código Monte Carlo para simulação dosimétrica;» Estimar à dose que chega a um determinado órgão durante a realização de um procedimento

4 3. Revisão de literatura Modelos de Exposição Fonte FÍSICO Geometria COMPUTACIONAL Código Monte Carlo Geometria Algoritmo Fonte

5 3. Revisão de literatura Modelos de exposição Modelos computacionais de geometria Fantomas de malhas (CASSOLA, 2009)

6 3. Revisão de literatura Modelos de exposição Métodos Monte Carlo Métodos estatísticos utilizados para obter resposta de problemas de alta complexidade ou de solução algébrica impossível; Utilizados em simulações estocásticas e/ou determinísticas com inúmeras aplicações em diversas áreas incluindo a física médica (TURNER et al., 1985); Envolve o uso deliberado de números aleatórios em cálculos que tenham uma estrutura de um processo estocástico (Kalos e Whitlock, 1986)

determinísticas com inúmeras aplicações em diversas áreas incluindo a física médica (TURNER et al.

7 3. Revisão de literatura Modelos de exposição Algoritmo de uma fonte radioativa Escrito por Vieira (2004); Construção de um modelo computacional de exposição para cálculos dosimétricos utilizando o código monte carlo EGS4 e fantomas de voxels. Escrito por Kramer (2007) Skeletal dosimetry for external exposure to photons based on µct images of spongiosa from different bone sites. Alteração por Lopes Filho (2007) em Vieira (2004); Avaliações dosimétricas em pacientes submetidos à radioiodoterapia com base em fantomas de voxels e em imagens de medicina nuclear. Alterado por Barbosa (2010) em Vieira (2004); Avaliação dosimétrica em Braquiterapia permanente de baixa Taxa de dose para tratamento de Câncer de próstata; Alterado por Costa (2011) em Vieira (2004); Desenvolvimento de modelos antropomórficos patológicos usando técnicas de modelagem 3D para dosimetria numérica.

Alteração por Lopes Filho (2007) em Vieira (2004); Avaliações dosimétricas em pacientes submetidos à radioiodoterapia com base em fantomas de voxels e em imagens de medicina nuclear.

8 3. Revisão de literatura Modelos de exposição Dosimetria das radiações Dosimetria Externa Dose absorvida por Kerma no ar. Dosimetria Interna Dose por atividade acumulada; Dose por partícula emitida; Fração de energia; Fração de energia específica; Energia Depositada por voxel.

Dosimetria Interna Dose por atividade acumulada; Dose por partícula

9 3. Revisão de literatura Modelos de exposição Dosimetria das radiações O uso do Coeficiente de Conversão no código EGSnrc Coeficiente de Conversão (CC). / (mgy/s) = CC. x A(MBq) Código MC Ficha de certificação D(mGy) = (mgy/s) x T(s)

EGSnrc Coeficiente de Conversão (CC). / (mgy/s) = CC.

10 4. Material e métodos Material utilizado Material utilizado Computador Intel Core i7 2670QM 2,20GHz 2,20GHz, 6GB de RAM, 500GB de HD, Placa de vídeo NVIDIA GeForce GT525M 2GB; Computador Intel Core i7-990x com placa de vídeo GeForce, 24Gb de RAM e clock de 3.46 GHz, do laboratório LDN-IFPE; Sistema Operacional Microsoft Windows 7 Home Premium, Service Pack 1, de 64 Bits; Acessórios componentes do Windowns; Bloco de Notas e Paint; Microsoft Office 2010 Professional Plus 64 bits; Plataforma de programação Microsoft Visual Studio 2010;

46 GHz, do laboratório LDN-IFPE; Sistema Operacional Microsoft Windows 7 Home Premium, Service Pack 1, de 64 Bits; Acessórios

11 4. Material e métodos Material utilizado Material utilizado Aplicativo conversor de malhas em voxelbinvoxversion1.16: Disponível em Aplicativo de modelagem 3D Blender version 2.63: Disponível em Aplicativo processador de imagens DIP: Propriedade do GDN/UFPE; Aplicativo processador de Imagens FIJI: Disponível em: Aplicativo visualizador de imagens voxelizadas Viewvox version 0.41: Disponível em:

12 4. Material e métodos Material utilizado Material utilizado O código EGSnrc, desenvolvido por KAWRAKOW et al., (2011), modificado a partir de ferramentas de computação gráfica para permitir uma visualização vetorial em malhas 3D, para estudos dosimétricos de superfícies de isodose, no tratamento com fontes de Ir-192; Conjuntos de imagens SGI (Simulações Gráficas Interativas), do FASH e MASH. Conjunto de imagens anatômica em 3D, adquirido pelo GDN/UFPE.

malhas 3D, para estudos dosimétricos de superfícies de isodose, no tratamento com fontes de Ir-192; Conjuntos de

13 4. Material e métodos Método Este trabalho foi desenvolvido em diversas etapas, a saber: 1. Preparação dos fantomas; 2. Voxelização do fantoma de malhas; 3. Implementaçãodoalgoritmosimuladordafontede 192 Ir; 4. Acoplamento da fonte e geometria ao código Monte Carlo EGSnrc; 5. Avaliação dosimétrica; 6. Construção do software M3dDose; 7. Adição dos dados obtidos ao aplicativo criado;

Implementaçãodoalgoritmosimuladordafontede 192 Ir; 4.

14 4. Material e métodos Material utilizado Preparação dos fantomas; Edição dos fantomas Inserção do tumor;

15 4. Material e métodos Método adotado Edição do fantoma de voxel no FIJI Preparação dos fantomas;

16 4. Material e métodos Método adotado Preparação dos fantomas; Edição do fantoma de malhas no BLENDER Corte de estruturas sobressalentes; Ocultação do coração e pulmão; Localização do ponto de inserção; Ampliação da área (Zoom); Inserção do tumor (Extrusão); Re-exibição do coração e pulmão;

Ocultação do coração e pulmão; Localização do ponto de inserção;

17 4. Material e métodos Método adotado Voxelização do fantoma de malhas Preparação dos fantomas;

18 4. Material e métodos Método adotado Implementação do algoritmo simulador da fonte de 192 Ir; Radionuclídeo: Ir-192 Atididade: 14,44 Ci Dimensões da fonte: diâmetro 0,65mm comprimento 3,60mm Capsula: Aço inoxidável AISI 316L Densidade 8 g/cm 3 Dimensões da capsula: diâmetro 0,90mm comprimento 4,50mm

fonte: diâmetro 0,65mm comprimento 3,60mm Capsula: Aço inoxidável AISI

19 4. Material e métodos Material utilizado Determinação do número de histórias Avaliação dosimétrica; 1E5 2E5 4E5 6E5 8E5 1E6 2E6 3E6 4E6 5E6 8E6 1E7 2E7 5E7 1E8 3E8 5E8 7E8 9E8 1E9 2E9

20 4. Material e métodos Método adotado Avaliação dosimétrica; Simulação das interações primárias e secundárias

21 4. Material e métodos Método adotado Construção do Software M3dDose; (Mapeamento de Dose com suporte 3D) [1] + = [2] [3] [4] [1] [2] [3] [4]

23 5. Resultados e discusão Edição do fantoma de voxel no FIJI Preparação dos fantomas;

24 5. Resultados e discusão Preparação dos fantomas; Edição do fantoma de malhas no BLENDER

25 5. Resultados e discusão Preparação dos fantomas; Edição do fantoma de malhas no BLENDER

26 5. Resultados e discussão Preparação dos fantomas; Voxelização do fantoma de malhas [Viewvox] [binvox]

27 5. Resultados e discusão Preparação dos fantomas; Implementação do algoritmo simulador da fonte

28 5. Resultados e discussão Determinação do melhor número de histórias; 5x10 8

29 5. Resultados e discussão Simulação das interações primárias e secundárias;

30 5. Resultados e discussão Construção do Software M3dDose;

31 5. Resultados e discussão Adição dos dados obtidos ao aplicativo criado; Avaliação gráfica da análise dosimétrica

32 5. Resultados e discussão Adição dos dados obtidos ao aplicativo criado; Visualização do mapeamento de doses Energias Doses média

33 5. Resultados e discussão Adição dos dados obtidos ao aplicativo criado; Visualização do mapeamento de doses (interações primárias)

34 5. Resultados e discussão Adição dos dados obtidos ao aplicativo criado; Visualização do mapeamento de doses (interações secundárias)

35 5. Resultados e discussão Adição dos dados obtidos ao aplicativo criado; Visualização do mapeamento de doses (ip)

36 5. Resultados e discussão O aplicativo M3dDose e a análise visual em 3D; HelixToolkit.Wpf

37 6. Conclusões e Perspectivas Conclusões Todas as funções de conversão necessárias serão convergidas para o M3dDose, que receberá também aperfeiçoamento das técnicas de visualização e edição 3D, além de incrementar um novo algoritmo para inserção dos dados obtidos no resultado da avaliação dosimétrica no fantoma de malhas 3D, possibilitando, desta forma, uma visualização em 3D da distribuição de dose no fantoma de malhas vetoriais.

38 Agradecimentos DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA COMPUTACIONAL PARA EDIÇÃO DE OBJETOS 3D E ANÁLISE DE RESULTADOS DOSIMÉTRICOS Por que ninguém faz nada sozinho.

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