AVALIAÇÃO DO SISTEMA DE COLIMAÇÃO DO PROTÓTIPO DE UM TOMÓGRAFO BASEADO EM FEIXE DE PRÓTONS DE BAIXA ENERGIA POR SIMULAÇÕES DE MONTE CARLO.

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1 AVALIAÇÃO DO SISTEMA DE COLIMAÇÃO DO PROTÓTIPO DE UM TOMÓGRAFO BASEADO EM FEIXE DE PRÓTONS DE BAIXA ENERGIA POR SIMULAÇÕES DE MONTE CARLO. Aline Bortolini 1, João Antonio de Palma Setti 2, Hugo Reuters Schelin 3, Carla Kosuki 3, Rita de Cássia de Lima 3, Edney Milhoretto 3, Ivan Evseev 3 * para contato: bortoliniali@yahoo.com.br RESUMO:O presente trabalho faz parte de um projeto de maior extensão que envolve cientistas do Centro Médico da Universidade de Loma Linda EUA (LLUMC), Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Instituto de Pesquisa da Universidade Estadual do Rio de Janeiro (IP/UERJ) e Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUC-PR), cuja proposta é desenvolver um tomógrafo por feixe de prótons (pct). Como contribuição a esse projeto, é apresentado um phantom construído a base de materiais de baixa densidade, polipropileno e água, com geometria tubular, obedecendo ao limite de energia, 22,98 MeV, disponível na câmara de espalhamento CV-28 do IEN/CNEN (Instituto de Energia Nuclear/Comissão Nacional de Energia Nuclear). Todos os dados foram obtidos por simulação computacional, pelo método de Monte Carlo. ABSTRACT: The present work makes part of a project of bigger extension that wraps scientists of the Medical Centre of the University of Loma Linda USA (LLUMC), Technological Federal University of the Paraná (UTFPR), Institute of Inquiry of the State University of the Rio of January (IP/UERJ) and Catholic Pontifícia Universidade of the Paraná (PUC-PR), whose proposal is to develop a tomografo for bundle of protons (pct). Like contribution to this project, there is introduced a phantom built to base of materials of low density, polipropileno and water, with tubular geometry, obeying to the limit of energy, 22,98 MeV, available in the camera of spreading CV-28 of the IEN/CNEN (Institute of Nuclear Energy / National Commission of Nuclear Energy). All the data were obtained by computational simulation, by the method of Monte Carlo.

2 1 Mestranda do Curso de Tecnologia em Saúde, PUC-PR 2 Orientador Doutor em Engenharia Elétrica, UFPR 3 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, UTFPR PALAVRAS-CHAVE: Protonterapia, simulações computacionais, método de Monte Carlo, phantom. KEY-WORDS : Proton therapy, computational simulations, method of Monte Carlo, phantom. 1. INTRODUÇÃO O artigo a seguir se refere a um projeto de mestrado iniciado em março de 2007 e também faz parte de um grande projeto de pesquisa, que conta com colaborações inter-institucionais nacionais e internacionais, buscando o desenvolvimento de um protótipo de pequenas dimensões de um tomógrafo que utiliza feixe de prótons. As novas tecnologias atinentes ao tratamento do câncer visam melhor eficácia e menor risco ao paciente. A terapia por radiação de prótons é uma alternativa nãoinvasiva de tratamento para o câncer. Oportuniza uma melhor qualidade de vida ao paciente, se comparada à terapia por base de fótons, por haver menor exposição à radiação. Em função da característica da curva de Bragg, o feixe de prótons deposita a energia diretamente no local do tumor, atingindo assim as células comprometidas mais eficientemente e poupando os tecidos sadios. Atualmente, o posicionamento do paciente é feito utilizando dados da tomografia com raios X e essa mudança de equipamento provoca sempre incerteza no reposicionamento. Uma forma de resolver esse problema consiste em obter as tomografias diretamente no equipamento de tratamento com prótons. Para a implementação desta técnica está sendo utilizado um experimento de pct no CV-28 do IEN/CNEN. 2. OBJETIVOS

3 O objetivo geral deste trabalho é dar seguimento às etapas de modelagem e avaliação do protótipo de um tomógrafo baseado em feixe de prótons, apresentando um novo phantom e ajustando o sistema de colimação. 3. CONTEXTUALIZAÇÃO LITERATURA E FUNDAMENTAÇÃO CONCEITUAL. A terapia por prótons é a forma mais precisa para tratamento de tumores. A protonterapia, para determinadas aplicações apresenta vantagens altamente significativas. Devido às características de interação do próton com a matéria, o alvo pode ser irradiado com mais precisão. Irradiando diretamente sobre o tumor em tratamento, a maior parte de energia da radiação, sem afetar tecidos vizinhos saudáveis (ASSIS et al. 2005). A Tomografia Computorizada por feixe de prótons (pct) de alta energia é um dos métodos de imaginologia não destrutiva para obtenção da estrutura interna de objetos, da mesma forma que a Tomografia Computadorizada de raios-x e a Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET). Este método é relativamente antigo e já é conhecido desde o final da década de 70. A referida terapia teve seus primeiros estudos, sobre a utilização no tratamento de câncer, atribuídos ao Dr. Robert Rathbun Wilson em 1946, contribuindo significativamente para o desenvolvimento desse tratamento, como é realizado atualmente no Centro Médico da Universidade de Loma Linda (LLUMC) nos Estados Unidos. Esse centro de tratamento foi criado em 1990 e destacado por ser o primeiro especializado no mundo a aplicar esta tecnologia (SETTI, 2006). Até o ano de 2007, onze mil pacientes tinham sido tratados. Atualmente, há mais de vinte centros de protonterapia em todo mundo, nos quais mais de pacientes já foram tratados (METZ, 2006). Porém, mesmo com a grande demanda e incidência de portadores de neoplasia no Brasil, ainda não existe um centro de protonterapia brasileiro ou localizado em outro país da América Latina.

4 O procedimento normal que precede a radioterapia com prótons consiste em um prévio diagnóstico tomográfico convencional de raios X. Posteriormente, faz-se uma conversão dos números de CT obtidos em valores de densidade eletrônica relativa. A incerteza resultante pode induzir a erros de posicionamento dependendo da região anatômica tratada. No Brasil, está em desenvolvimento um protótipo de um pequeno tomógrafo baseado em feixe de prótons. Essa pesquisa abrange um grupo de cientistas da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) juntamente com Instituto de Pesquisa da Universidade Estadual do Rio de Janeiro (IP/UERJ), unindo-se também ao grupo, pesquisadores da Pontifícia Universidade Católica (PUC-PR). 4. MATERIAIS E MÉTODOS A execução do presente trabalho requer a utilização de um computador e alguns programas. O método de Monte Carlo será utilizado, pelos códigos: SRIM-2008 (Stopping and Range of Ions in Matter), TRIM (Transport of Ions in Matter) e Geant4 (Geometry and Track). Considerando as características dos elementos a serem simulados, bem como contemplando os principais aspectos físicos - tanto o de radiação do feixe, quanto o dos núcleos alvo - as etapas planejadas para o levantamento diagnóstico são as seguintes: 1 Elaboração de um novo phantom; 2 Simulações computacionais pelo método de Monte Carlo; 3 Reconstrução da imagem tomográfica; 4 Análise da imagem. 5. RESULTADOS Os materiais mais propícios para a elaboração do phanton iniciaram-se com os testes para descobrir se uma diferença de 0,1 g/cm3 nas densidades que poderia interferir na energia final detectada e, se a colimação ou não do feixe resultaria em discrepâncias no espectro. A figura 1 mostra três camadas de água e de polipropileno

5 com 1, 2 e 4 mm de espessura cada uma com colimador na saída. A figura 2 apresenta o resultado da utilização do colimador, e também com sua não utilização. Figura 1 - Gráfico da energia final em cada espessura dos materiais do phantom Figura 2 - Gráfico das energias finais com e sem colimador Realizadas as devidas alterações no código Geant4, um arquivo de saída fornece uma estrutura gráfica como mostrado na figura 3. O tubo é o phantom seguido pelo colimador de alumínio e o detector de silício dopado com lítio Si(Li).

6 Figura 3 Esquema do protótipo utilizando o novo phantom O objetivo das análises foi obter materiais que oferecessem melhores condições para a travessia das partículas; dessa forma, limitou-se em observações dos dados referentes à energia. A figura 4 mostra a forma final do phantom. A base da estrutura externa foi elaborada a partir do tubo de uma seringa comercial de 1 ml. A medida da espessura da parede foi feita utilizando um micrômetro da mesma forma que o tubo interno. A composição da estrutura interna consiste de um tubo de carga de caneta esferográfica comercial com medidas equivalentes às necessidades do protótipo. Para fixar o tubo interno foram utilizados dois êmbolos de borracha os quais, além de centralizar, fazem o processo de vedação da água. Dois pequenos pinos de plástico fazem a fixação do tubo interno com os êmbolos. Figura 4 - Foto do phantom finalizado. A moeda dá referência ao tamanho final Na tabela 1, estão especificadas as estrutura que compõe o novo phantom.

7 Estruturas Diâmetro (mm) Material Densid (g/cm3) Tubo interno - diâmetro interno 1,98 Tubo interno - diâmetro externo 3,20 Polipropileno 0,90 Tubo externo diâmetro interno 4,70 Tubo externo - diâmetro externo 6,14 Camada de Água - diâmetro interno 3,20 Água destilada 1,0 Camada de Água - diâmetro externo 4,70 Camada de Ar 1,98 Ar 0,00125 GEANT4. Tabela 1 - Dimensões das estruturas que compõem o novo phantom. Os programas computacionais utilizados são os seguintes: SRIM/TRIM 2008 e SRIM-2008 O meio utilizado para certificar se o material escolhido apresenta as características evidenciadas no início, foi o software SRIM-2008 (Stopping and Range of Ions in Matter) que, a partir de fórmulas e constantes físicas, realiza cálculos da interação do íon com a matéria. Tal programa é composto por um módulo denominado TRIM (Transport of Ions in Matter) e simula a passagem de íons através do material, codificando a perda de energia e o espalhamento dentro de camadas de materiais que podem ser selecionados dentro desta plataforma. A figura 5 mostra a tela principal do TRIM. Nele é possível selecionar a energia desejada, o íon incidente, sua quantidade e ângulo de projeção, os materiais alvos desejados, dentre outros recursos. No SRIM-2008 só é possível trabalhar em camadas.

8 Figura 5: Tela principal do TRIM A figura 6 apresenta a tela de simulação do SRIM-2008, onde estão inseridas as camadas de polipropileno, de água e de ar usadas na elaboração do phantom. O feixe de prótons atravessa uma região correspondente ao centro do objeto proposto, cuja geometria é tubular. Figura 6 - Tela de simulação do SRIM-2008 Após a simulação, um arquivo de saída denominado TRANSMIT.txt fornece as informações referentes aos íons transmitidos. A energia do presente experimento, mostrado na figura 6, em torno de 10 MeV é suficiente para formação de imagem. Geant4 GEANT4 O código Geant4 (Geometry and Track) é uma ferramenta para simular a passagem de partículas através da matéria. Possibilita a construção de geometrias bem elaboradas e a criação de elementos inexistentes na natureza. As partículas simuladas são propagadas através de campos magnéticos e elétricos, assim como através dos materiais, chegando ao detector. O programa é dotado de informações sobre processos

9 físicos que governam as interações das partículas sob variada faixa de energia. Os instrumentos de visualização e uma interface flexível são disponíveis em componentes separados. 6. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS O presente trabalho demonstrou que o phantom modelado tem as especificações adequadas ao protótipo do pct. Os materiais escolhidos possuem baixa densidade e pequena espessura, características que possibilitam a simulação da passagem de feixe de prótons de baixa energia em seu interior e a reconstrução tomográfica. Infere-se que o método Monte Carlo fornece um ambiente computacional que possibilita a aquisição de dados teóricos de forma concisa e resultados com credibilidade. Foi demonstrado, também, que, quando um feixe de prótons percorre uma região com estruturas de pequenas dimensões e densidades próximas, pode não ser registrado pelo detector e, assim, originar uma imagem com baixa ou com ausência de resolução. Diante dessa problemática, o algoritmo de reconstrução de imagem deverá ser adequado para pct em trabalhos futuros 7. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Os resultados obtidos demonstram a importância da inclusão de eventos nucleares no transporte de partículas de prótons no meio orgânico. Há um percentual alto de prótons espalhados, os quais contribuem para a dose na circunvizinhança do tecido tumoral. Como segunda etapa do trabalho, os programas computacionais serão configurados de acordo com a proposta inicial do feixe de prótons em forma de lápis (pencil beam). Assim será possível concluir o estudo sobre o sistema de colimadores para diminuição do espalhamento e eficiência da dose depositada. 8. REFERÊNCIAS

10 ASSIS, J.T et al. Proton Computed Tomography as a Tool for Proton Therapy Planning: Preliminary Computer Simulations and Comparisons With X-Ray CT Basics. X-ray Spectrometry, v. 34, n. 1, p , EVSEEV, I., KLOCK, M. C. L., PASCHUK, S., SCHELIN, H. R., SETTI, J. A. P., LOPES, R. T., SCHULTE, R., WILLIAMS, D., Computerized Tomography With High- Energy Proton Beams: Tomographic Image Reconstruction from Computer-Simulated Data, Brazilian Journal of Physics, Brasil, v. 34, n. 3A, p , CANEVAROLO JUNIOR, Sebastião V.. Ciência dos polímeros: um texto básico para tecnólogos e engenheiros. São Paulo: Artliber, p. METZ, J. History of proton therapy. Differences between Protons and X-Rays. Reduced normal tissue toxicity with proton therapy. ONKOLINK: Abrason Câncer Center of the University of Pennsylvania, Disponível em Acesso em: 22 jul MILHORETTO, E., Determinação da Influência de Fatores Físicos no Espectro de Energia de um Protótipo de Tomógrafo por Feixe de Prótons por Simulação de Monte Carlo, Tese de mestrado, UTFPR,2007. SETTI, J., Tomografia computadorizada por feixe de prótons de baixa energia, Tese de doutorado, UTFPR, YEVSEYEVA,O., Estudo de Restrições Em Tomografia com Feixe de Partículas Carregadas Através de Modelagem Computacional, Dissertação de Mestrado, IP/UERJ, Nova Friburgo, 2005.