CALIBRAÇÃO DA UNIDADE DE CONTADOR DE CORPO INTEIRO DO IRD PARA MEDIDAS IN VIVO DE PB-210 EM TECIDO ÓSSEO E PULMONAR

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1 CALIBRAÇÃO DA UNIDADE DE CONTADOR DE CORPO INTEIRO DO IRD PARA MEDIDAS IN VIVO DE PB-210 EM TECIDO ÓSSEO E PULMONAR Ana Letícia A. Dantas 1, Bernardo M. Dantas 1, Adelaide M.G.F.Azeredo 1, Eder A. Lucena 1 e Henry B. Spitz 2 1 Instituto de Radioproteção e Dosimetria, CNEN, Av. Salvador Allende s/n, Recreio dos Bandeirantes - CEP Rio de Janeiro - RJ. 2 University of Cincinnati P. O. Box , 598 Rhodes Hall Cincinnati, Ohio RESUMO O radônio e seus produtos de decaimento presentes na atmosfera são os mais importantes contribuintes da exposição interna do homem às fontes de radiação natural. A realização de medidas in vivo de chumbo-210 na população e em indivíduos ocupacionalmente expostos em minas subterrâneas tem sido estudada e recomendada como um dos procedimentos para avaliação da exposição a Rn-222. O metabolismo do chumbo e sua distribuição no corpo humano, predominantemente depositado no tecido ósseo, sugerem as regiões do crânio e do joelho como as mais adequadas para a monitoração in vivo desse radionuclídeo. Essas regiões apresentam alta concentração óssea e pequena contribuição cruzada de outros órgãos. A monitoração da região torácica se deve ao fato de que a incorporação dos produtos de decaimento do radônio ocorre predominantemente via inalação. Este tipo de medida in vivo deve ser realizado com o auxílio de uma blindagem da radiação ambiente bastante eficiente e de um sistema de detecção de alta sensibilidade e resolução de forma a se atingir baixos limites de deteccão necessários a esta aplicação. A calibração dos detectores requer a utilização de simuladores físicos antropomórficos (phantoms) de crânio, joelho e pulmão. A calibração permite a determinação de fatores de conversão da taxa de contagem, na região do Pb-210 (46,5 kev), em uma unidade de atividade. Desta forma é possível determinar a atividade em cada um dos órgãos e tecidos perferenciais de deposição do indivíduo monitorado de forma a se estimar a exposição individual interna a Rn-222 e seus produtos de decaimento. Keywords: lead-210, radon, occupational exposure, bone tissue, lung I. INTRODUCÃO Segundo a última estimativa divulgada pela UNSCEAR [1], 50 % da dose efetiva média anual da população mundial de 2,4 msv, correspondem à exposição interna via inalação de radônio. No Brasil, a situação da exposição ao radônio em trabalhadores de minerações subterrâneas ainda não está determinada de maneira completa. Existem hoje cerca de 33 minerações subterrâneas ativas, com aproximadamente 3400 trabalhadores, sendo que a maioria destes desenvolve suas atividades no subsolo. A CNEN, através do Instituto de Radioproteção e Dosimetria vem conduzindo desde 1995 um projeto para avaliar os impactos radiológicos ambientais e ocupacionais destas mineradoras ditas convencionais (não nucleares). Na primeira fase deste projeto, foi identificado, entre outros problemas, níveis elevados de concentração de radônio e seus produtos de decaimento em uma mina subterrânea de carvão em Figueira, na Região Sul do Brasil. Os níveis de concentração de Rn-222 medidos em alguns locais desta mina foram da ordem de 7000 Bq/m 3, valores estes bem acima dos limites para intervenção em ambientes de trabalho (500 a 1500 Bq/m 3 de 222 Rn) e o limite de exposição ocupacional (4,0 WLM/ano) [2]. A mineração de carvão de Figueira está localizada próxima a uma antiga mina desativada de urânio. Nesta instalação foram realizadas medidas in vitro de excreta nos trabalhadores, tendo sido detectada uma quantidade significativa de Po-210, o que confirma a exposição dos indivíduos a Rn-222 e seus produtos de decaimento [3]. O Rn-222, proveniente da série radioativa do urânio-238, emissor alfa com meia-vida de 3,82 dias, apresenta como um dos produtos de decaimento o Pb-210, que é um emissor beta, apresentando também uma emissão gama de 46,5 kev, e que possui meia-vida de 22 anos [4]. Baseado em informações a respeito do metabolismo do Pb e à sua distribuição no corpo humano [5], estudos recentemente publicados sugerem a utilização de medidas in vivo de chumbo-210 como indicador da

2 exposição a Rn-222 em minas subterrâneas e residências [6, 7, 8, 9]. Esta abordagem tem apresentado resultados coerentes e amplia a possibilidade de se obter mais informações sobre o metabolismo do Rn-222 e seus produtos de decaimento no corpo humano, além de ser bastante útil sob o ponto de vista de monitoração ocupacional, da dosimetria retrospectiva e para estudo de populações de regiões de alta radiação natural. Na calibração da medida de joelho foi utilizado um simulador contendo (29309 ± 298) Bq de Pb-210. Nesta calibração os 4 detectores foram posicionados em diversas regiões sobre o simulador de forma a se determinar aquela configuração que proporcionasse a maior sensibilidade. Após determinada a geometria ideal (Fig.2) foram executadas 5 medidas de 1 hora reposicionando-se o sistema de detecção de forma a se verificar a reprodutibilidade da medida. II. MATERIAIS E MÉTODOS Este trabalho estabelece uma metodologia que utiliza medidas in vivo para a avaliação da incorporação do radônio por seres humanos. Para isto, o sistema de detecção da Unidade de Contador de Corpo Inteiro do IRD foi calibrada para executar medidas in vivo de chumbo-210 no tecido ósseo e nos pulmões. A sala de medidas in vivo é composta de uma blindagem de aço com dimensões de 2,5m x 2,5m x 2,5m, revestida internamente com camadas adicionais de chumbo, cádmio e cobre. Tal blindagem foi projetada originalmente para a identificação e quantificação in vivo de traços de radionuclídeos emissores de fótons depositados em órgãos e tecidos do corpo humano [10]. Os sistema de detecção utilizado neste projeto é composto de dois módulos HPGe tipo ACT 2 fornecidos pela Canberra. Este sistema foi projetado e otimizado para a detecção de radionuclídeos na faixa de energia de 10 a 200 kev, apresentando sensibilidade e resolução adequadas para o tipo de medida a ser realizado [11]. A calibração dos detectores foi realizada com o auxílio de simuladores físicos antropomórficos (phantoms). Foram utilizados simuladores de crânio, joelho e pulmão, produzidos especificamente para esta aplicação no Centro Médico da Universidade de New York [12] e na Universidade de Cincinnati [13]. A utilização de tais simuladores permite a determinação de fatores de calibração aplicados na conversão da taxa de contagem observada na medida in vivo em uma unidade de atividade para os radionuclídeos de interesse. Neste caso foram determinados fatores de calibração para a determinação in vivo de Pb-210 no tecido ósseo (joelho e crânio) e nos pulmões. Tais fatores de calibração são obtidos a partir da medida do simulador do órgão em questão posicionando-se o sistema de detecção de forma a se obter a sensibilidade máxima para cada geometria de contagem. Para a calibração da medida de pulmão foi utilizado um simulador de tórax produzido pelo Lawrence Livermore National Laboratory dos EUA [14] em conjunto com um simulador de pulmão contendo (9746 ± 103) Bq de Pb-210, produzido na Universidade de Cincinnati. A calibração foi executada posicionando-se o sistema de detecção sobre a região do tórax e fazendo-se a aquisição do espectro durante 1 hora de contagem (Fig. 1). Tal procedimento é repetido para as 5 camadas de tecido equivalente que representam diferentes espessuras de camada torácica (ECT) sobre o pulmão. Figura 1. Medida do simulador de pulmão com sistema de Figura 2. Medida do simulador de joelho com sistema de A calibração para geometria de medida de crânio requer a utilização de dois simuladores. Um deles contendo (2581 ± 129) Bq de Pb-210 aplicados sobre a superfície externa do crânio e outro contendo (2755 ± 138) Bq de Pb- 210 aplicados internamente. Estes dois simuladores foram

3 medidos durante 4 horas com o sistema de detecção em 4 posições de forma a se determinar a geometria ideal, ou seja, aquela que conduzisse à sensibilidade máxima (Fig. 3). Fc (Bq/cpm) Fc = 2,747 ECT - 11,53 R 2 = 0, ,0 20,0 30,0 40,0 50,0 ECT (mm) Figura 4. Curva de Calibração de Pb-210 na geometria Pulmão. Figura 3. Medida do simulador de crânio com sistema de III. RESULTADOS E DISCUSSÃO Geometria de Medida de Pulmão. O procedimento de calibração descrito anteriormente permitiu obter valores específicos de fatores de calibração para cada uma das camadas de tecido equivalente do simulador (Tab.1). Com isso foi possível estabelecer uma curva de calibração de eficiência em função da espessura da camada torácica apresentada na Fig. 4. TABELA 1. Curva de Eficiência de Detecção para a geometria pulmão. ECT a (mm) Fc b (Bq/cpm) 19,0 40,31 24,5 56,83 30,0 70,82 35,5 84,71 43,4 108,37 a. ECT = Espessura da Camada Torácica b. Fc = Fator de Calibração A curva de calibração apresentada na Fig. 4 permite determinar o fator de calibração específico para cada indivíduo a ser monitorado, em função da estimativa da sua espessura da camada torácica. O valor de ECT é estimado através de uma equação empírica que relaciona este parâmetro com a razão entre o peso e altura [15]. Geometria de Medida de Joelho. Esta geometria é utilizada para este tipo de medida pois a região do joelho apresenta alta concentração de tecido ósseo. A partir da série de medidas do simulador de joelho, na posição de melhor eficiência de contagem, foi calculada a média das taxas de contagem e o fator de calibração específico para esta geometria. O valor médio calculado foi de (21,9 ± 0,5) Bq/cpm. Geometria de Medida de Crânio. Essa região do corpo, semelhantemente ao joelho, apresenta uma proporção significativa de osso em relação ao esqueleto (~ 14%) [5]. O Fator de calibração para a geometria de medida de crânio, utilizando-se os dois simuladores contaminados interna e externamente, é determinado pela razão entre a média geométrica das atividades e das taxas de contagem. A média geométrica das atividades dos simuladores utilizados corresponde a (2667 ± 133) Bq. Foram executadas medidas dos simuladores em 4 posições sobre a superfície do crânio de forma a se determinar aquela que apresenta a melhor sensibilidade e comodidade para o indivíduo a ser monitorado. Os fatores de calibração, para cada posição, estão apresentados na Tabela 2. TABELA 2. Fatores de calibração em 4 posições sobre a superfície do crânio. Geometria Fator de calibração (Bq/cpm) 1 28,0 ± 2,0 2 25,5 ± 1,8 3 23,4 ± 1,6 4 23,1 ± 1,6

4 A partir dos resultados apresentados na Tabela 2 observa-se que os valores dos fatores de calibração para as geometrias 3 e 4 são estatísticamente equivalentes e apresentam maior sensibilidade. Entretanto, para melhor comodidade do indivíduo monitorado optou-se por estabelecer a geometria 2 como o padrão a ser aplicado na monitoração de rotina. É importante ressaltar que embora o valor do fator de calibração da geometria 2 seja aproximadamente 8 % inferior ao obtido na geometria 4, a perda de sensibilidade compensa a maior comodidade ao indivíduo devido ao afastamento dos detectores da região da face em direção à parte superior do crânio como mostra a Figura 3. Desta forma o fator de calibração a ser adotado em medidas de rotina de Pb-210 no crânio é de (25,5 ± 1,8) Bq/cpm. REFERÊNCIAS [1] Unitate Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. UNSCEAR 2000 Report to the General Assembly, with scientific annexes, v [2] Veiga, L.H.S., Melo, V., Koifman, S., and Amaral, E.C.S. High Radon Exposure in an Underground Coal Mining Industry in Brazil The need of Regulation. In Proc. of 2 nd Dresden Symposium on Radiation Protection. September 10-14, 2000, Dresden, Germany. [3] Lipsztein, J.L.; Dias da Cunha, K.M.; Azeredo, A.M.G.; Julião, L.; Santos, M.; Melo, D.R. and Simões Filho, F.F.L. Exposure of workers in mineral processing industries in Brazil. Journal of Environmental Radioactivity, v. 54, pp , 2001 [4] Eisenbud M. Environmental Radioactivity: From Natural, Industrial and Military Sources. Academic Press: Orlando, 3 ed., [5] International Commission on Radiological Protection (ICRP). Basic Anatomical and Physiological Data for use in Radiological Protection: The Skeleton. ICRP Publication 70, Pergamon Press: Oxford, [6] Laurer, G.R.; Gang, Q.T.; Lubin, J.H.; Li, J.Y.; Kan, C.S.; Xiang, Y.S.; Jian, C.Z.; Yi, H.; De, G.W. and Blot, W.J. Skeletal Pb-210 levels and lung-cancer among radon-exposed tin miners in Southern China, Health Physics, v. 64, n. 3, pp , 1993 [7] Laurer, G.R.; Estrada, J.J.S. and Cohen, N. Lung exposure from inhalation of radon progeny: Calculated from in vivo measurements of Pb-210 in the skull, Health Physics, v. 76, n. 4, pp , 1999 [8] Guilmette, R.A.; Laurer, G.R.; Hoover, M.D. and Snipes, M.B. Customising the LRRI in vivo bioassay facility for measuring Pb-210 as a biomarker for exposure to radon progeny. Radiation Protection Dosimetry, v. 89, n. 3-4, pp , 2000 [9] Guilmette, R.A.; Leggett, R.W.; Laurer, G.R.; Snipes, M.B; Hoover, M.D.; Lambert, W.E.; Coons, T.A. and Gilliland, F.D. Assessment of Exposure of Uranium Miners to Radon Progeny Using In Vivo Measurements of Pb-210 in Bone. In: Proc. Tenth Congress of the International Radiation Protection Association, Hiroshima, Japan, may 2000 [10] Oliveira CAN, Lourenço MC, Dantas BM, Lucena EA & Laurer GR. The IRD/CNEN whole body counter: Background and calibration results. Radiation Protection Dosimetry, v.29, n.3, pp , [11] Dantas, B.M,. Lucena, E.A., Moura Junior, J. & Azeredo, A.M.G.F. Caracterização dos sistemas de detecção da Unidade de Contador de Corpo Inteiro do IRD. V Regional Congress on Radiation Protection and Safety, Recife-Pernambuco-Brazil, April 29 - May 04, (CD ROM) [12] Cohen, N., Spitz, H.B. & Wrenn, M.E. Estimation of skeletal burden of bone-seeking radionuclides in man from in vivo scintillation measurements of the head. Health Physics, v. 33, pp , [13] Spitz, H. B. & Lodwick, J. Design, fabrication and evaluation of a new calibration phantom for in vivo measurement of bone-seeking radionuclides. Radiation Protection Dosimetry, v. 89, n. 3-4, pp , [14] Griffith, R.V., Dean, P.N., Aderson, a.l. & Fisher J.C. Fabrication of a tissue equivalent torso phantom for intercalibration of in-vivo, transuranic-nuclide counting facilities. In: International Atomic Energy Agency Symposium on Advances in Radiation Protection Monitoring, 1979, Stockholm. Proceedings. Vienna: IAEA, p [15] kruchten, D.A. and Anderson, A. L. Improved ultrasonic measurement techniques applied to assay of Pu and other transuranics in lung, Health Physics, v. 59, n. 1, pp , 1990 ABSTRACT Radon and its decay products are present in the atmosphere and are the most important contributors for the internal exposure of the humans to natural radiation. The execution of in vivo measurements of lead-210 in the population and in individuals occupationally exposed in underground mines has been studied and recommended as one of the procedures for the estimation of the exposure to Rn-222. The metabolism of Pb-210 and its distribution within the human body, mainly deposited in the bone tissue, suggests the regions of skull and knee as the most suitable for the in vivo monitoring of such a radionuclide. These regions of the body present a high concentration of bone and little cross contribution from other organs. The chest monitoring

5 is useful to estimate recent incorporations of radon decay products by inhalation, which is the main exposure pattern. This type of measurement should be carried out inside a heavy shielded room and with a detection system of high sensitivity and resolution in order to reach the low detection limits required for this application. The calibration of the detection system requires the use of anthropomorphic phantoms of skull, knee and lungs. The calibration consists on the determination of efficiency factors used to convert the count rates in the region of Pb-210 (46.5 kev) into an activity value in Bequerels. This way it is possible to determine the activity of Pb-210 in each of the organs and tissues of interest of the individual monitored in order to estimate the internal individual exposure to radon progeny.