CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS UTILIZADOS NO DESENVOLVIMENTO DE FANTOMAS FÍSICOS ANTROPOMÓRFICOS

Transcrição

1 2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005 Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS UTILIZADOS NO DESENVOLVIMENTO DE FANTOMAS FÍSICOS ANTROPOMÓRFICOS Sandro Heleno Fonseca, Ana Letícia A. Dantas e Bernardo M. Dantas Instituto de Radioproteção e Dosimetria IRD-CNEN Av. Salvador Allende, s/n Rio de Janeiro - RJ bmdantas@ird.gov.br RESUMO A calibração de detectores utilizados em medidas in vivo de radionuclídeos é realizada com fantomas confeccionados com materiais tecido-equivalentes compostos de substâncias artificiais ou naturais que apresentam propriedades semelhantes aos tecidos vivos que se pretende simular. O principal parâmetro de seleção de materiais para produção de fantomas é sua capacidade de atenuação dos fótons. Este trabalho tem como objetivos: (1) padronizar uma metodologia para a determinação do coeficiente de atenuação linear de massa e (2) comparar materiais utilizados para produção de fantomas, fornecendo subsídios para se estabelecer critérios de seleção. O experimento consistiu em realizar seqüências de medidas da taxa de contagem de fontes puntiformes colimadas variando-se a espessura do material atenuador. Foi utilizado um detector de cintilação do tipo NaI(Tl) e fontes de 152 Eu, 137 Cs e 241 Am. Os materiais testados foram: poliuretano, poliéster, polipropileno, polietileno, epóxi, acrílico, PVC, parafina, Bandgel e água destilada. Foram determinadas curvas de atenuação para os diferentes materiais na faixa de energia de 50 a 1400 kev. Calculou-se os coeficientes de atenuação de massa para cada material e, considerando a água destilada como material de referência, conclui-se que epóxi, parafina e PVC não devem ser utilizados para simulação de tecido muscular humano. Os demais materiais apresentam propriedades de atenuação adequadas para este tipo de simulação na faixa de energia em que foram realizadas as determinações. 1. INTRODUÇÃO A monitoração direta da contaminação interna em trabalhadores ocupacionalmente expostos a radioisótopos emissores de fótons consiste na realização de medidas radiométricas in vivo dos nuclídeos presentes no corpo humano [1]. A calibração de detectores utilizados em medidas in vivo de radionuclídeos é realizada com fantomas que reproduzem a distribuição da atividade nos órgãos e tecidos de interesse [2, 3]. Os fantomas são confeccionados com materiais tecido-equivalentes artificiais ou naturais que apresentam propriedades físico-químicas semelhantes aos tecidos vivos que se pretende simular [4]. A seleção de materiais tecido-equivalentes para produção de fantomas baseia-se em diversos critérios, por exemplo, custo, toxidez dos componentes, facilidade de obtenção e requisitos de segurança para produção do simulador. Do ponto de vista das propriedades físicas de interação dos fótons com a matéria, o coeficiente de atenuação de massa é o principal critério a ser considerado na seleção do material. Este parâmetro é calculado pela razão entre o coeficiente de atenuação linear e a massa específica do material [5].

2 µm = µ/ρ (1) onde µm é o coeficiente de atenuação de massa do material, µ é o coeficiente de atenuação linear (correspondente ao coeficiente angular da regressão exponencial da curva de atenuação) e ρ é a massa específica do material. Para a obtenção de µ é necessário determinar experimentalmente a Transmitância que é definida como a razão entre a intensidade do feixe que atravessa o material (I) e do feixe incidente (Io) T = I/Io (2) A transmitância apresenta uma relação exponencial com espessura do material (mm) obtendo-se uma curva com o seguinte formato: T = e µx (3) Onte T é a transmitância, µ é o coeficiente de atenuação linear e x a espessura do material 2. MATERIAIS E MÉTODOS O experimento consistiu em várias séries de medidas da taxa de contagem de fontes puntiformes colimadas com chumbo, variando-se o tipo e espessura do material atenuador. Foram utilizadas fontes de 152 Eu (fótons de 344 e 1408 kev e probabilidades gama de 26,5 e 21,0 % respectivamente), 137 Cs (fótons de 662 kev e probabilidade gama de 85,1 %) e 241 Am (fótons de 59,5 kev e probabilidade gama de 35,9 %). Foram testados os seguintes polímeros sólidos artificiais: poliéster, poliuretano, epóxi, acrílico, PVC,polipropileno e polietileno. Além destes materiais artificiais, testou-se também as propriedades de atenuação da água destilada, parafina e Bandgel. Este último é um material produzido pelo IPEN-CNEN (Instituto de Pesquisa e Engenharia Nuclear) destinado ao tratamento de queimaduras, tendo em sua composição, aproximadamente 70% de água. As medidas das fontes de 152 Eu e 137 Cs foram realizadas utilizando-se um detector de cintilação do tipo NaI(Tl) com dimensões de 8"x4" conforme ilustrado na Figura 1. Para as medidas de 241 Am foi usado um detector semicondutor de germânio hiperpuro do tipo LE- HPGe com diâmetro ativo de 50,5 mm, área ativa de 2000 mm 2 e espessura de 20 mm. Baseado nos valores de transmitância medidos, foram ajustadas curvas de atenuação dos fótons para as 3 faixas de energia, comparando-se os valores dos coeficientes de atenuação de massa entre os materiais testados.

3 Figura 1. Representação esquemática da geometria de contagem para determinação do coeficiente de atenuação O detector (NaI ou HPGE) foi posicionado verticalmente com sua face voltada para baixo. O material testado foi disposto em forma de discos sobrepostos uns aos outros de forma a se obter diferentes espessuras. Foram realizadas medições com tempos variáveis em função da espessura e tipo de material e da atividade da fonte utilizada. Os tempos foram determinados de forma a gerar picos com área total superior a contagens. Esta condição é necessária para manter a incerteza total da medida na ordem de 1%. 3. RESULTADOS A dados coletados foram ajustados exponencialmente para se obter curvas de atenuação para cada um dos materiais testados neste experimento. A partir das curvas calculou-se os valores dos coeficientes de atenuação de massa. A Figura 2 apresenta a curva do poliuretano. As Tabelas 1 e 2 apresentam o conjunto completo de valores obtidos para todos os materiais. A geometria de contagem foi otimizada de forma a que os coeficientes de correlação dos ajustes exponenciais de dados para todos os experimentos apresentassem valores na faixa de 0,90 a 0,99.

4 T (I/Io) y = e x R 2 = Espessura (mm) Figura 2. Curva de Atenuação relativa ao Poliuretano na energia de 344,3 kev Tabela 1. Coeficientes de atenuação linear de massa determinados para fótons de alta energia Massa Específica (g/cm 3 ) Energia (kev) 344,3 661,6 1408,1 Material Coeficiente de atenuação de massa (cm 2 /g) Água destilada 1,0000 0,0090 0,0038 0,0021 Poliéster 1,1989 0,0088 0,0032 0,0021 Poliuretano 1,0441 0,0093 0,0033 0,0022 Epóxi 1,2134 0,0077 0,0025 0,0012 BandGel 1,0179 0,0094 0,0038 0,0024 Acrílico 1,1833 0,0084 0,0026 0,0019 PVC 1,4512 0,0086 0,0029 0,0017 Parafina 0,8856 0,0098 0,0043 0,0020 Polipropileno 0,9112 0,0089 0,0033 0,0018 Polietileno 0,9545 0,0087 0,0032 0,0017 Tabela 2. Coeficientes de atenuação linear de massa determinados para fótons de 59,5 kev Material Massa Específica (g/cm 3 ) Coeficiente de atenuação linear de massa (cm 2 /g) Poliéster 1,1989 0,0178 Poliuretano 1,0441 0,0186 Epóxi 1,2134 0,0169 Acrílico 1,1833 0,0189 Parafina 0,8856 0,0189 Polipropileno 0,9112 0,0183 Polietileno 0,9545 0,0185

5 3. CONCLUSÕES Adotando-se o coeficiente de atenuação de massa como critério único para avaliação de um material passível de uso como simulador de tecidos vivos conclui-se que: (1) para a faixa de alta energia, considerando-se a água destilada como referência, já que o corpo humano é constituído em 70% de água, epóxi, PVC e parafina não apresentaram resultado adequado. Esses materiais estariam fora da recomendação da ICRU [4]. Em relação à faixa de baixa energia, parafina apresentou valor discrepante em relação aos demais materiais testados para simulação de tecido muscular quando comparados aos valores estabelecidos pela ICRU. O epóxi apresentou valor abaixo do padrão e não deve ser usado para confecção de simuladores de tecidos. Na próxima etapa deste estudo pretende-se estudar as propriedades de atenuação do PVC para simulação de osso comparando-o com materiais artificiais de referência e com amostras reais de tecido ósseo humano. AGRADECIMENTOS O primeiro autor teve apoio do MCT na forma de bolsa de Iniciação Científica. Os autores agradecem aos profissionais da oficina mecânica do IRD pela qualidade do trabalho e rapidez no atendimento das solicitações de apoio para a realização deste experimento. REFERÊNCIAS 1. International Atomic Energy Agency (IAEA). Direct methods for measuring radionuclides in the human body. Safety Series n. 114 (1996) 2. B.M. Dantas. Bases para a calibração de contadores de corpo inteiro utilizando simuladores físicos antropomórficos. Tese de Doutorado. Instituto de Biologia. Universidade do Estado do Rio de Janeiro, RJ. (1998) 3. INTERNATIONAL COMMISSION ON RADIATION UNITS. ICRU Report 48, Phantoms and Computational Models in Therapy, Diagnosis and Protection. Maryland, (1992) 4. INTERNATIONAL COMMISSION ON RADIATION UNITS. ICRU Report 44, Tissue substitutes in radiation dosimetry and measurements. Bethesda, (1989). 5. G.F. Knoll. Radiation Detection and Measurements. 2 ed. (1989)