FORMULAÇÃO DE UM COMPOSTO CERÂMICO DE REVESTIMENTO PARA PROTEÇÃO RADIOLÓGICA: RESULTADOS PRELIMINARES

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1 1 FORMULAÇÃO DE UM COMPOSTO CERÂMICO DE REVESTIMENTO PARA PROTEÇÃO RADIOLÓGICA: RESULTADOS PRELIMINARES Frimaio,A.(1); Costa, P.R.(2); Vanderlinde, F.V.F.(3); Campos, L.L. (1) Caixa Postal: Piraporinha Diadema SP CEP: (1) Departamento de Calibração e Dosimetria, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) (2) Serviço Técnico de Aplicações Médico Hospitalares, Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE) (3) Núcleo de Cerâmica, Escola SENAI "Mario Amato" (SENAI) RESUMO Este estudo visa formular um composto cerâmico para revestimento de paredes para ser utilizado como blindagem. Este material poderá ser utilizado em hospitais e clínicas de diagnóstico por imagens. Iniciou-se uma série de estudos de formulações cerâmicas que apresentassem maiores densidades e coeficientes de atenuação à radiação ionizante. Além disso, levou-se em consideração sua possibilidade de confecção, utilizando-se elementos comuns nas formulações como SiO 2, Fe 2 O 3, Al 2 O 3, BaO, PbO e Ti 2 O 3. Baseado em um teste preliminar realizado em laboratório, com diferentes revestimentos padrão comerciais, foram considerados vários suportes cerâmicos. O material que apresentou a melhor propriedade atenuadora para a radiação X foi o grês branco. Utilizando este suporte, serão estudadas, por simulações computacionais, variações de sua formulação, a fim de se obter um material de revestimento com propriedades atenuadoras mais favoráveis. PALAVRAS-CHAVE blindagem,revestimento,atenuação,radiação INTRODUÇÃO

2 2 O revestimento cerâmico é larga e tradicionalmente utilizado, desde a época colonial até os dias atuais com tecnologias mais avançadas, substituindo revestimentos que necessitam de manutenção posterior tais como texturas, argamassas, gesso, tintas, etc. Para a obtenção de uma massa que possua um conjunto de propriedades adequadas é necessário que a proporção entre as argilas constituintes da mesma seja definida com critério. No entanto, o que se verifica no meio industrial é a definição da formulação da massa em função unicamente do empirismo. Visto que a radiologia diagnóstica está em contínuo desenvolvimento, fazse necessário o estudo de materiais a serem aplicados em barreiras de proteção para diminuir os efeitos das radiações quando profissionais e público em geral são expostos à radiação ionizante. Isto se faz necessário para garantir a adequação aos requisitos de proteção radiológica para o funcionamento das instalações que operam com raios X diagnóstico. É necessário que as regulamentações sejam obedecidas rigorosamente, para que se obtenha uma proteção adequada contra os efeitos nocivos das radiações ionizantes. Devem-se seguir publicações reconhecidas como, por exemplo, os procedimentos publicados recentemente pelo NCRP ( 1) para cálculos de blindagem contra radiações além das determinações impostas pela portaria nº 453 ( 2) do Ministério da Saúde. Para o dimensionamento das barreiras de proteção, devem ser observados os dados técnicos e operacionais das instalações radiológicas, que são: a carga de trabalho, que fornece a extensão do uso de uma instalação radiológica (em ma x minuto por semana), o fator de uso, que considera a direção do feixe de radiação sobre a camada de proteção a ser calculada e o fator de ocupação, relacionado com o tempo de permanência de pessoas nas diferentes áreas a serem protegidas ( 3 ). Deve-se considerar a proteção de trabalhadores, pacientes e públicos em geral. Para este propósito, devem-se utilizar barreiras protetoras segundo o princípio de que os níveis de radiação devem ser tão baixos quanto razoavelmente exeqüíveis as low as reasonably achievable (NCRP107, 1990 ( 4 ) ).

3 3 O processo de atenuação da radiação está relacionado com a sua interação com a matéria. Existem três métodos básicos para garantir que os requisitos de proteção radiológica sejam respeitados. Estes métodos são: a- a proteção pela distância, que envolve a lei do inverso do quadrado da distância; b- a redução do tempo de permanência em um local onde exista radiação; c- a proteção pela interposição de uma barreira protetora entre a fonte e o ambiente que se deseja proteger. O NCRP-147 (1) trata dos requisitos práticos e da metodologia para o cálculo de barreiras protetoras para salas onde ocorre a emissão de radiação para radiodiagnósticos. Os princípios básicos para o sistema de proteção radiológica segundo a portaria nº 453 (2) são: Justificação da prática e das exposições médicas individuais: nenhuma prática ou fonte utilizada deve ser autorizada, a menos que produza suficiente benefício para o indivíduo exposto ou para a sociedade, que compense o detrimento causado. Otimização da proteção radiológica: estabelece que as instalações e as práticas devem ser planejadas, implantadas e executadas, de modo que a magnitude das doses individuais, o número de pessoas expostas e a probabilidade de ocorrência de exposições acidentais sejam tão baixas quanto razoavelmente exeqüíveis. A otimização deve ser aplicada tanto nos projetos, desenvolvimentos e instalações de equipamentos, como nos procedimentos de trabalho. Limitação de doses individuais: são valores de dose efetiva ou de dose equivalente, estabelecidos para exposição ocupacional e exposição do público decorrentes de práticas controladas, cujas magnitudes não devem ser excedidas. As exposições ocupacionais normais de cada indivíduo, resultante da combinação de todas as práticas relevantes, devem ser controladas de forma que os valores dos limites estabelecidos na Resolução nº 12 (CNEN-NE- 3.01,1998 ( 5 ) ) não sejam excedidos. Segundo a portaria nº 453 (2), as exposições de indivíduos são classificadas em três tipos: Exposição Ocupacional é a exposição ocorrida principalmente como um resultado do trabalho.

4 4 Exposição Médica é a exposição de pessoas como parte de seu diagnóstico ou terapia. Exposição Pública compreende todas as outras exposições. Quando um feixe de raios X atravessa um material, seus fótons podem interagir com os átomos de diferentes maneiras. Os fatores que afetam as interações com a matéria são a densidade, a espessura, o número atômico do material e a energia do fóton incidente. Os tipos de interação mais freqüentes são: a fotoelétrica, o espalhamento Compton, o espalhamento coerente e a produção de pares. No efeito fotoelétrico e na produção de pares os fótons são completamente absorvidos. Nas interações coerentes são espalhados sem perda de energia. Na interação Compton, além de serem espalhados, têm suas energias diminuídas pela absorção ( 6 ). A atenuação dos raios X pela matéria se dá pelos efeitos de espalhamento e absorção de energia. Em um exame diagnóstico costuma-se utilizar feixes de raios X com tensão inferior a 150kV 7. Nestas condições, a radiação é espalhada devido aos efeitos coerentes e Compton enquanto que a absorção da radiação ocorre devido ao efeito fotoelétrico. A fim de contribuir no cumprimento dos requisitos de radioproteção, propõe-se, no presente trabalho, o desenvolvimento de um material para revestimento de paredes de salas de radiodiagnóstico. Este material será um composto cerâmico, na forma de placas, e suas características atenuadoras serão avaliadas em relação ao material de referência padrão, o chumbo, seguindo o procedimento descrito de acordo com NBR/IEC ( 8 ). O suporte cerâmico a ser utilizado já foi definido e serão apresentados, neste congresso, os resultados preliminares. MATERIAIS E MÉTODOS Os materiais utilizados neste estudo preliminar foram 12 (doze) placas de revestimento padrão (comum) de diferentes suportes e de fabricantes nacionais, com o objetivo de identificar qual suporte cerâmico teria melhor propriedade atenuadora.

5 5 Os ensaios foram realizados no laboratório do IEE-USP para avaliação da equivalência em chumbo dos suportes cerâmicos Tomando-se como referência a faixa de tensão para radiodiagnóstico de kvp, utilizou-se para este dado teste preliminar um equipamento trifásico com tubo de raios X Röerix, Modelo: 124/30/50 no foco grosso, nas tensões de 80 kvp e 100 kvp, com 180 e 158 ma respectivamente, e tempo de exposição de 0,2 segundos. As propriedades de atenuação destes materiais foram obtidas através de um arranjo experimental conforme Figura 1. Unidade de Raio X d1=50cm d2=57cm kvp.ma.t Filtração Adicional de 1,7mm Al Placa Cerâmica Câmara de Ionização (medição) Figura 1 Arranjo Experimental utilizado para as medições dos fatores de atenuação das 12 (doze) amostras. As distâncias d1 refere-se à distância do ponto focal à placa cerâmica e d2 à distância entre a placa cerâmica e a câmara de ionização (detector). MODELO MATEMÁTICO PARA GERAÇÃO DE ESPECTROS DE RAIOS X O modelo matemático proposto por Tucker e col. ( 9 ), conhecido por modelo de TBC, apresenta uma formulação computacional que permite simular o espectro da radiação X emitida por um tubo de raios X diagnóstico levando em conta diversos parâmetros construtivos do mesmo, tais como o ângulo do anodo e a tensão de operação, a energia e as características de emissão de um tubo de raios X. O modelo de TBC parte de considerações sobre o material do alvo, a estrutura do tubo e a composição dos materiais que atenuam o feixe antes deste emergir pela janela da cúpula protetora do tubo. Sendo N B (E) o espectro

6 6 de Bremsstrahlung, a equação (A) proposta pelos autores deste modelo para esta radiação é: N B ( E) σ Z de = A ( E, T ) F( E, T ) ρ 2 To 0 de β 1 E E T 2 Nesta equação σ = α r, sendo α a constante de estrutura fina e r o 0 e raio clássico de elétron, Z é o número atômico efetivo do material do alvo, A é a massa dos átomos do alvo, To é a energia cinética dos elétrons ao atingirem o alvo, T é a energia cinética dos elétrons dentro do alvo, E é a energia dos fótons produzidos na interação, (1/ρ)(dT/dx) é o poder de freamento por unidade de massa ( mass stopping power) para o material do alvo, β(e,t) é uma função proporcional ao número de fótons produzidos por elétron incidente; e dt dx 1 dt (A) e F( E, T ) = e [ µ ( E ) d + µ ( E ) d ] w w m m = e x µ ( ) + ( ) w ( ) w E µ E m E d µ m senθ ρc = e 2 2 T 0 T + µ m ( E) d m ( T ) senθ (B) Onde µ w (E) é o coeficiente de atenuação linear do material do alvo para os fótons de energia E, d w é a espessura do alvo atravessada pelos fótons de raios X produzidos, µ m é o coeficiente de atenuação linear de um material de referência, m, utilizado para caracterizar os materiais que atenuam o feixe ( por exemplo, alumínio), d w é a espessura equivalente tomando por referência o material m dos componentes da arquitetura para o conjunto emissor que atenuam o feixe de raios X ( por exemplo, janela do tudo, óleo isolante, janela da cúpula, filtro adicional,etc.), θ ângulo de inclinação do alvo, e C(T)=(To 2 - T 2 )/ρx é a constante de Thomson-Whiddington (7). AJUSTES PARAMÉTRICOS NÃO LINEARES Um artigo publicado em 1983 ( 10 ), Archer, Thornby e Bushong introduziu um modelo matemático que traz grande simplificação à formulação apresentada no NCRP 147 (1) para o cálculo de barreiras protetoras. Foram geradas curvas de atenuação e os valores obtidos pelo ajuste semi-empírico do Modelo de Archer para a construção dos gráficos de atenuação, utilizando-se uma rotina computacional desenvolvida por ARCHER, o programa LNKUXFIT.EXE, para o cálculo das constantes α(v), β(v) e γ(v) do Modelo Archer. Este ajuste é feito

7 7 na equação que representa à curva de atenuação pelo método não-linear e mínimos quadrados. A equação (C) que será usada será: ( ) B V 1 ( V ) ( V ) γ β ( V ) α ( V ) γ ( V ) x β ( V ) = 1 + e 0 ( V ) α( V ) α( V ) K = (C) K Onde K(V) é a composição por unidade de ma.min por semana a 1 metro da fonte de radiação obtida aplicando-se um potencial V ao tubo, K o (V) é o valor de K(V) sem que nenhum material atenuador intercepte o feixe, x é a espessura do material protetor em milímetros e α(v), β(v) e γ(v) são parâmetros determinados utilizando-se um método não-linear de mínimos quadrados. Este modelo foi utilizado para obtenção da razão de atenuação quando comparado o material cerâmico com o material de referência, o chumbo nas espessuras equivalentes e nas tensões de 80 e 100 kvp, conforme Figura E E-01 Intensidade Normalizada 1.0E E E E E E E E Espessura (mmpb) 80 kvp 100 kvp Figura 2 Razão de atenuação normalizada das placas cerâmicas em relação ao chumbo nas espessuras equivalentes, para duas tensões Para a determinação do equivalente de atenuação em chumbo de cada amostra cerâmica avaliada, a relação (X) foi invertida, isolando-se a variável x. RESULTADOS E DISCUSSÃO

8 8 O resultado das simulações, realizadas com o modelo TBC e do ajuste do Modelo de Archer, possibilitou a escolha de um suporte para compostos cerâmicos. A Tabela I apresenta o equivalente de atenuação em chumbo de cada amostra avaliada nas tensões de 80 kv e 100 kv. Tabela I Valores de intensidade atenuados das placas cerâmicas nas dadas energias Tensões 80kV 100kV Placas Espessura equivalente Cerâmicas (mmpb) amostra amostra amostra amostra amostra amostra amostra amostra amostra amostra amostra amostra amostra Analisando-se a Tabela I, verificou-se que as amostras 1, 2, 11, 12 e 13 apresentaram os maiores equivalentes de atenuação tanto em 80 kv como em 100 kv. Estas amostras possuíam como suporte a pasta branca e dentre elas três eram grês de fabricantes diferentes. CONCLUSÕES As amostras 1, 2, 11, 12 e 13 foram as placas cerâmicas foram as que apresentaram os maiores equivalentes de atenuação em ambas as tensões, sendo o suporte grês o escolhido neste estudo preliminar para a continuidade do trabalho relacionado na formulação de um composto cerâmico para fins de aplicação em proteção radiológica. AGRADECIMENTOS

9 9 Este trabalho é parcialmente financiado pelo CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) e FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado e São Paulo). Os autores agradecem ao SENAI pelo apoio técnico. REFERÊNCIAS 1 NATIONAL COUNCIL ON RADIATION PROTECTION AND MEASUREMENTS. Structural Shielding Design for Medical X rays Imaging Facilities. NCRP Publications, Bethesda, MD, 2004 (NCRP Report 147). 2 PORTARIA n 453. Diretrizes de Proteção Radiológica em radiodiagnóstico Médico e Odontológico. Ministério da Saúde. Diário Oficial da União. Brasília: 01 de junho de BARROS, F.S.Determinação das propriedades de atenuação de tijolos cerâmicos maciços e argamassas baritadas para a sua utilização como barreira de proteção em salas de radiodiagnóstico. Curitiba, Dissertação(Mestre em Ciências Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial do Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná). 4 NCRP 107. NATIONAL COUNCIL ON RADIATION PROTECTION AND MEASUREMENTS. Implementation of the principle of as Low as reasonably Achievable (ALARA) for medical and dental personal. Bathesda: NCRP Publications, 1990 (NCRP Report 107). 5 CNEN-NE-3.01 COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR. Diretrizes básicas de radioproteção. São Paulo, EVANS R.D. The atomic Nucleus. USA: Robert E. Kringer Publishing Company, Inc; COSTA, P.R.Modelo para determinação de espessuras de barreiras protetoras em salas para radiologia diagnóstica. São Paulo, Tese (Doutorado em Ciências) Instituto de Pesquisas Energética e Nucleares, Universidade de São Paulo. 8 NBR/IEC : Dispositivos de proteção contra radiação-x para fins de diagnóstico médico - Parte 1: Determinação das propriedades de atenuação de materiais, TUCKER, D.M.; BARNES, G.T.; CHAKRABORTYM D.P. Semiempirical Model for Generating Tungsten Target X-ray Spectra. Medical Physics, v.18, n.2, p , ARCHER, B.R..; FEWELL, T.R.; CONWAY,B.J.; QUINN, P.W. Attenuation Properties of Diagnostic X-ray Shielding Materials. Medical Physics, v.21, n.9, p , 1994.