FANTOMA COMPUTACIONAL DE VOXEL, ASSOCIADO A FANTOMA REAL ANTROPOMÓRFICO ANTROPOMÉTRICO, PARA DOSIMETRIA EM RADIOTERAPIA DE PELVE MASCULINA

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1 2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005 Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: FANTOMA COMPUTACIONAL DE VOXEL, ASSOCIADO A FANTOMA REAL ANTROPOMÓRFICO ANTROPOMÉTRICO, PARA DOSIMETRIA EM RADIOTERAPIA DE PELVE MASCULINA Cleuza Helena Teixeira Silva, Tarcisio Passos Ribeiro de Campos Programa de Pós-graduação em Ciências e Técnicas Nucleares Universidade Federal de Minas Gerais Av. Antonio Carlos, 6627, Prédio PCA1, S.2285 campos@nuclear.ufmg.br RESUMO Este artigo apresenta a modelagem computacional por voxels via código MCNP-5 e o desenvolvimento experimental de um objeto simulador antropomórfico e antropométrico de pelve masculina, dito fantoma, objetivando dosimetria em braquiterapia de tumores prostáticos. Para elaboração da modelagem computacional da pelve masculina humana foram selecionadas e digitalizadas imagens seccionais anatômicas do projeto Homem Visível. Estas foram digitalizadas e convertidas em malhas bidimensionais. Cada elemento da malha representa um tecido, convertendo assim secções anatômicas em malhas bidimensional de tecidos equivalentes. O conjunto de planos bidimensional foi concatenado, formando o modelo tridimensional de voxels a ser utilizado pelo código MCNP-5. Dados referentes à densidade e composição química dos elementos básicos constituintes dos órgãos envolvidos foram associados a cada voxel, compondo assim o banco de dados materiais para o MCNP-5. A construção do fantoma de pelve masculina humana baseou-se em dados antropomórficos e antropométricos e na utilização de tecidos equivalentes representativos da pele, tecido ósseo, adiposo, muscular e glandular. Este trabalho desenvolveu-se em etapas, sendo construído primeiro o arcabouço ósseo, depois as estruturas musculares e órgãos internos que, montados conjuntamente, foram inseridos no arcabouço de pele, sendo então incorporado o tecido adiposo e realizados retoques finais na pele. A elaboração do modelo 3D de voxel associado ao código de transporte de partículas MCNP-5 e construção do fantoma de pelve masculina humana, antropomórfico, antropométrico e tecido equivalente foram completados. Este desenvolvimento representa duas ferramentas essenciais para elaboração de dosimetria computacional e experimental. 1. INTRODUÇÃO Este trabalho visa o aprimoramento das ferramentas de avaliação dosimetrica, com enfoque em tumores prostáticos. Este artigo segue a proposição de utilização de métodos computacionais de alta confiabilidade, operando modelos volumétricos antropomórficos e antropométricos de voxel com o código MCNP-5 [1]. Tal modelo é o produto da associação de informações geradas por imagens radiológicas ou imagens reais oriundas do projeto Homem Visível [10], com propriedades químicas obtidas do ICRU-44 e 63 [2,3]. O projeto homem visível é apresentado e explicado na referência 10. Para atingir confiabilidade, associou-se também ao método computacional a construção de um fantoma antropomórfico da pelve masculina com o objetivo de correlacionamento do modelo teórico com dosimetria experimental. Em resposta a preocupações com a dosimetria e a radioproteção surgiu o Homem Padrão, em 1949 [4]. Tal procedimento foi modificado múltiplas vezes e criando-se o termo Homem Referência, pela Comissão Internacional em Proteção Radiológica (ICRP), em 1963 [5]. Em

2 1969, Snyder propõe o homem referencia da ICRP-23, de 70kg de massa e 170cm de altura [6]. Neste modelo, a densidade aproximada do tecido mole é g/cm 3 e do esqueleto g/cm 3 e do tecido pulmonar g/cm 3. Guimarães M., em 1995, propõe o homem referencia brasileiro, com massa de 62+/-0.4kg e 168,0+/-0.1cm [9]. Seguindo a literatura, o presente trabalho propõe a construção de duas ferramentas para auxiliar a dosimetria: um objeto simulador real referência de calibração, dito fantoma, e um modelo computacional de voxel, ambos representantes da pelve masculina. Entretanto, adota-se o princípio de que este volume de voxel poça ser encaixado dentro de um homem analítico e que este poça ser ajustado às dimensões antropométricas do indivíduo em estudo. Assim, parte-se da hipótese que a anatomia e morfologia de indivíduos normais são equivalentes, entretanto possíveis de serem ajustadas às dimensões externas do corpo humano. Por sua vez, o fantoma real é proposto como ferramenta para calibração experimental do modelo computacional de voxel, quando este for ajustado as dimensões do fantoma real. As ferramentas computacionais desenvolvidas serão empregadas para dosimetria e será possível avaliar implantes intersticiais e intracavitários de fontes radioativas, tais como: Cf-252 em Braquiterapia de nêutrons, sementes radiativas para implantes tipo metálicas como I-125 e cerâmicas desenvolvidas pelo grupo de pesquisa Modelagem Computacional 2. MATERIAIS E MÉTODOS Imagens do banco de dados do projeto Homem Visível (HV) foram obtidas [10]. Tais imagens anatômicas de alta resolução foram tiradas de filmes de 70mm da fase original da coleção de dados que forma o HV, digitalizadas com uma resolução de 4096x2700 pixels, em 24 bits de cor. De 1871 imagens, foi selecionada a região de interesse para o estudo, envolvendo as imagens 1729 a 1919, como ilustrado na Fig.1. A Fig.2 ilustra de uma arbitrária imagem selecionada do projeto HV. Figura 1. Área de seleção, indicada pelas duas linhas verdes, superior e inferior, deline adas nas duas imagens centrais, selecionadas para estudo do Homem Visível [10]. Depois de selecionadas e digitalizadas, as imagens seccionais anatômicas do projeto HV foram incorporadas em uma malha bidimensional, cujos respectivos elementos volumétricos foram identificados no seu tipo de tecido e composição química por um código numérico.

3 reto próstata uretra Figura 2. Secção transversal da pelve do Homem Visível [10]. Esta identificação representa um correlacionamento de cada voxel de cada secção anatômica a um banco de dados de tecidos. A malha bidimensional representativa de tecidos equivalentes foi concatenada formando um volume tridimensional de voxels. Tal modelo foi ajustado e adaptado ao código MCNP5. A Fig.3 ilustra a malha representativa do modelo de uma seção arbitrária. reto próstata uretra Figura 3. Representação esquemática gráfica do procedimento de associação de tecidos nas secções do projeto HV. 2.2.Desenvolvimento do fantoma de pelve masculina. Foram estabelecidas as composições químicas dos materiais tecido-equivalentes a serem adotados, respectivamente, para osso, músculo, glândula e gordura. O arcabouço ósseo foi

4 obtido através da construção de molde negativo baseado em peças anatômicas artificiais que foram preenchidos com tecido ósseo-equivalente fabricado em forma de gel. Após endurecimento, o arcabouço ósseo tecido-equivalente foi retirado dos moldes negativos evitando fraturas. Os músculos tecido-equivalentes foram construídos baseados nas mesmas imagens dos cortes seccionais do Homem Visível [10]. A fabricação do molde positivo foi laboriosa. Primeiro, as imagens selecionadas foram separadas, e, uma a uma, foi tirado o contorno dos músculos, de forma individualizada. Os contornos foram redimensionados para o tamanho real do arcabouço ósseo, sendo impressos em fina folha de borracha e recortados separadamente. A soma das folhas configura um bloco de músculos, gerando as impressões musculares finais. Os cortes de cada músculo empilhados formavam o músculo completo. Os grupos musculares foram montados obtendo-se o molde positivo do arcabouço muscular, que servirá de base para a fabricação dos moldes negativos, no interior dos quais será colocado o tecido muscular equivalente fabricado. A composição atômica em percentuais para músculo de pessoa adulta adotada foi: 14,3% de C; 10,2% de H; 71,0% de O; 3,4% de N; 0,1% de Na; 0,2% de P; 0,3% de S e 0,1% de Cl; sendo a densidade mássica experimentalmente avaliada para o músculo foi de 1.05 g/cm 3. Concomitantemente, construiu-se o arcabouço externo, preparando-se o molde externo em gesso de um homem em posição semelhante à utilizada para os implantes braquioterápicos. Esta posição possibilitará ter o fantoma real sendo aplicado em calibração em braquiterapia intersticial. Um grosso molde de gesso serviu de base para outro feito com material com fina camada de carbono. O invólucro de carbono serve para apoio da pele e da estrutura óssea interna. A próstata e seu respectivo material tecido-equivalente foi preparado e posicionado junto com a estrutura óssea dentro do arcabouço de carbono. Sob o arcabouço de pele, foi iniciado o preparo da pele. O fantoma em desenvolvimento receberá o acabamento final da pele e órgãos, como intestino grosso, reto, estão em preparo. 3. RESULTADOS 3.1 Desenvolvimento do fantoma de pelve masculina. A Fig. 4 ilustra de forma comparativa o resultado da estrutura óssea projetada e construída com tecido-equivalente. A equivalência anatômica é visível. A Fig.5 ilustra o molde positivo do arcabouço muscular, antes do preparo dos moldes negativos para preenchimento com músculo-equivalente. A Fig.6 ilustra o procedimento de preparo dos moldes do arcabouço final. Tais figuras ilustram o processo de construção do fantoma de pelve masculina, em desenvolvimento. (a) (b) (c) Figura 4. Fotografias de: (a) Fantoma ósseo montado, (b) peça antômica tomada como comparação, (c) fantoma ósseo em etapa de montagem.

5 Figura 5. Molde positivo do arcabouço muscular. 3.2 Modelagem computacional Figura 6. Moldes do arcabouço externo em gesso (superior), e moldes do arcabouço externo em fibra de carbono. A malha computacional de voxel foi introduzida no código MCNP através da inserção do conjunto de voxels, e seus respectivos bancos de dados material: densidade e composição química dos órgãos envolvidos. A Fig. 7 ilustra seções do modelo obtido da interface gráfica do Código MCNP. Nesta figura, são apresentadas quatro seções distintas, sendo que as duas superiores representam saídas da interface obtidas direta do código, e as inferiores, obtidas da interface gerada pelo código Siscodes [11]. A diferença em coloração implica da necessidade de programação da definição de cores da interface gráfica do MCNP, cuja seleção tem sido independente do executor, mascarando a diferenciação de tecidos. Figura 7. Ilustração de quatro seções distintas do modelo de voxel tridimensional. A esquerda, imagens obtidas diretamente do MCNP, e a direita obtidas do código SISCODES.

6 4. CONCLUSÕES O fantoma de pelve está em desenvolvimento e as peças musculares serão incorporadas junto à estrutura óssea no arcabouço de carbono. O modelo computacional de voxel, bem como o simulador de pelve, será útil para estudos dosimétricos permitindo medidas de doses em radioterapia megavoltagem e braquiterapia, calibração de equipamentos de imagens médicas, pesquisa de novos materiais tecidos equivalentes, estudos de dosimetria interna, bem como na simulação virtual de planejamento bi e tri dimensional, otimizando protocolos radioterápicos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem especialmente o suporte da FAPEMIG-950/01 e a FUNDEPinfraestrutura. REFERENCIAS 1. CASHWELL, E.D.; EVERETT, C. J. A pratical manual on the Monte Carlo method for random walk problem. New York, N. Y.: Pergamon, ICRU-44. International Commission on Radiation Units and Measurements, Tissue Substitutes in Radiation Dosimetry and Measurement, ICRU Report 44 (International Commission on Radiation Units and Measurements, Bethesda, Maryland), ICRU 63, "Nuclear data for neutron and proton radiotherapy and for radiation protection," International Commission on Radiation Units and Measurements, Bethesda, MD, LISCO, H. The standard man. Quarterly Report, November 1948.febrruary 1949, ANL 4253, Biological and Medical Divisions, Argone National Lab., Iemont, IL, TIPTON, I. H.; SNYDER, W. S. & COOK, M. J. Elemental composition of standard man. Hlth. Phys. Div., Am. Prog. Rept., ORNL-4007, International Commission on Radiological Protection, Report of the task group on reference man. Oxford (ICRP-23), SNYDER, W. S.; FORD, M. R.; WARNER, G. G.; WATSON. S. B. A tabulation of dose equivalent per micro-curie-day for source and target organs of an adult for various radionuclides. Oak Ridge, TN. Oak Ridge National Lab., (ORNL-5000), Nov ICRP. International Commission on Radiological Protection, Report of Task Group on Refernce Man, ICRP Publication 23, (Pergamon Press, Oxford), GUIMARÃES, M. I. C. C., Desenvolvimento do manequim matemático do homem brasileiro para cálculos de dosimetria interna. Tese de doutorado, IPEN, // TRINDADE, B., Desenvolvimento de um sistema Computacional para Calculo Dosimétrico utilizando Código Estocástico, SISCODES, dissertação de mestrado, programa de pós-graduação em Ciências e Técnicas Nucleares, dez.2004.