Diego Castanon Galeano

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA NÚCLEO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA MODIFICAÇÃO DAS POSTURAS DOS SIMULADORES ANTROPOMÓRFICOS VOXEL DE REFERÊNCIA ADULT MALE (AM) E ADULT FEMALE (AF) PARA CÁLCULO DE COEFICIENTES DE CONVERSÃO DE DOSE Diego Castanon Galeano São Cristóvão SE Outubro/2016

2 Diego Castanon Galeano MODIFICAÇÃO DAS POSTURAS DOS SIMULADORES ANTROPOMÓRFICOS VOXEL DE REFERÊNCIA ADULT MALE (AM) E ADULT FEMALE (AF) PARA CÁLCULO DE COEFICIENTES DE CONVERSÃO DE DOSE Tese de Doutorado apresentada ao Núcleo de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal de Sergipe para obtenção do título de Doutor em Física. Orientador: Prof. Dr. Albérico Blohem de Carvalho Júnior São Cristóvão SE Agosto/2016

3 Ata Defesa

4 Dedico este trabalho aos meus pais, Elidio Galeano e Orlany de Moraes Dias Castanon.

5 Agradecimentos Agradeço a Deus. Aos meus pais, pelo incondicional apoio em minha formação e por me educar com tanto amor e carinho. A minha namorada Fernanda Fabian, pela amizade, dedicação, amor e carinho em todos os momentos. A família amigo Danilo Junot e sua família pelo acolhimento. Ao William Santos pelas profundas contribuições neste e em outros trabalhos e, principalmente, pela amizade. Aos colegas e amigos de grupo Felipe Santos e Matheus Alves pelas constantes contribuições. Ao professor Albérico Blohem de Carvalho Júnior pela orientação neste trabalho e as discussões no decorrer do mesmo, bem como a professora Divanízia N. Souza pela coorientação. A todos os professores que contribuíram em minha formação acadêmica. A Universidade Federal de Sergipe pela infraestrutura. A Capes e ao CNPq pelo suporte financeiro. A todos que contribuíram ou apoiaram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho.

6 Resumo Estabelecer limites à exposição da população a diversas fontes de radiação ionizante é de fundamental importância para prevenir indivíduos, ocupacionalmente expostos e do público, dos seus efeitos deletérios. Em âmbito computacional, é necessário que diferentes cenários de exposição sejam simulados, visando à obtenção dos coeficientes de dose (CCs), que associam grandezas dosimétricas físicas como dose absorvida, fluência ou kerma no ar com grandezas limitantes como equivalente e/ou dose efetiva. Em certas condições de exposição a posição do indivíduo nem sempre é a mesma, e o cenário deve ser descrito da forma mais realística possível. Neste trabalho, os simuladores antropomórficos de referência da publicação nº 110 da ICRP, AM (Adult Male) e AF (Adult Female), tiveram suas posturas modificadas da postura supinada (em pé) para a postura sentada. A mudança de postura foi realizada por meio de uma subrotina escrita no software Visual Monte Carlo (VMC) para rotacionar a região da coxa dos simuladores e posicioná-la entre a região da perna e do tronco. O software ScionImage foi utilizado para reconstruir e suavizar os contornos no joelho e quadril dos simuladores na postura sentada, e com ferramenta auxiliar para visualização 3D dos simuladores foi utilizado o software VolView. Após essa etapa foi utilizado o código de transporte de radiação MCNPX para o cálculo dos coeficientes de conversão (CCs) de dose equivalente e efetiva por fluência de partículas, calculados para seis geometrias de irradiação AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO, recomendadas pela ICRP. Os resultados foram comparados entre os simuladores em pé e sentado, para ambos os gêneros, com o objetivo de avaliar as diferenças de espalhamento e absorção da radiação para as diferentes posturas. Os resultados dos CCs mostram diferenças significativas, de até 100 % para dose equivalente dos órgãos situados a região pélvica e 79 % em órgãos com distribuição em todo o corpo como, por exemplo, pele, músculo, nódulos linfáticos medula óssea e trabécula óssea, e uma diferença de 14 % para dose efetiva. Ademais, a fim de realizar um estudo comparativo entre dois tipos de simuladores, foi estimado os CCs de dose equivalente e efetiva dos simuladores híbridos adulto masculino, UFHADM, e feminino, UFHADF, na postura sentada, e comparado com os simuladores AM e AF, também na postura sentada, onde foi observado diferença significativa em energias abaixo de 0,05 MeV. Este estudo demonstrou a viabilidade do uso dos simuladores antropomórficos de referência na postura sentada para representar posturas mais realísticas podendo assim, ser utilizado em estudos na dosimetria médica e ocupacional, bem como a importância de desenvolver simuladores tão realista quanto possíveis para estimativa de dose tão fiéis quanto possíveis em diversos cenários de irradiação. Palavras-chave: simulação de Monte Carlo, dosimetria, radioproteção, simulador antropomórfico, coeficiente de conversão de dose.

7 Abstract Establish limits to the exposure of the population to various ionizing radiation sources is crucial to prevent occupationally exposed individuals and the public, to their deleterious effects. In computational ambit, it is necessary that different exposure scenarios are simulated in order to obtain the dose coefficients (CCs), which relate physical dosimetric quantities - as absorbed dose, Fluency or Kerma Air - with limiting quantities - as equivalent and / or effective dose. Under certain exposure conditions, the individual's posture is not always the same, and the scenario shall be described as realistic as possible. In this work, the AM (Adult Male) and AF (Adult Female) anthropomorphic reference phantom of ICRP publication n 110 had their postures modified from supine posture (standing) to sitting posture. The change of posture was performed through of a subroutine written in the Visual Monte Carlo code (VMC) to rotate the thigh region of the phantom and position it between the region of the leg and torso. The ScionImage software was used to reconstruct and smooth the knee and hip contours in a sitting posture phantom, and for 3D visualization of phantom was used VolView software. After this step the MCNPX radiation transport code was used for the calculation of fluence-to-dose conversion coefficients (CCs) to six irradiation geometries: AP, PA, LLAT, RLAT, ROT and ISO, recommended by ICRP. The results were compared between the phantoms in standing and sitting postures, for both sexes, in order to assess differences in scattering and absorption of radiation in different postures. The results show significant differences of up to 100% in the equivalent dose conversion coefficients of organs in the pelvic region, 79 % in organs with distribution in the whole body (such as skin, muscle, lymph nodes, bone marrow and trabecular bone) and a difference of 27% to effective dose conversion coefficients. Moreover in order to conduct a comparative study between two types of simulators, was estimated CCs equivalent and effective dose of adult male hybrid simulators, UFHADM, and female, UFHADF, in a sitting posture, and compared to the AM and AF simulators, also in the sitting posture, where it was observed significant difference in energies below 0.05 MeV. This study demonstrated the feasibility of using anthropomorphic phantoms in the sitting posture to represent more realistic postures and can be used in studies in medical and occupational dosimetry. This study demonstrated the feasibility of using anthropomorphic simulators reference in the seated position to represent more realistic positions can thus be used in studies in medical and occupational dosimetry as well as the importance of developing as realistic simulators as possible to dose estimation as faithful as possible in different irradiation scenarios. Keywords: Monte Carlo simulation, dosimetry, radiation protection, anthropomorphic phantom, dose conversion coefficient.

8 Sumário Resumo vi Abstract vii Lista de Figuras x Lista de Tabelas xiv 1 Introdução Objetivos gerais Objetivos específicos Fundamentação Teórica Interações do fóton com a matéria Espalhamento Coerente Efeito Fotoelétrico Efeito Compton Grandezas Dosimétricas Fluência (φ) Dose Absorvida Dose Equivalente Dose Efetiva Simuladores antropomórficos computacionais de exposição O Método de Monte Carlo (MMC) Determinação de erros no MMC Estado da Arte 20 4 Material e Métodos Simuladores antropomórficos de referência da publicação de nº110 da ICRP: Adult Male (AM) e Adult Female (AF) Modificações da postura dos simuladores AM e AF Simuladores antropomórficos adultos híbridos UFHADM e UFHADF Código de transporte de radiação MCNPX Estrutura repetida e Cenários de irradiação Estimativa dos coeficientes de conversão de dose (CCs)... 33

9 ix 4.7 Comando mesh tally na obtenção de mapa de fluência Resultados e discussões Modificação da postura dos simuladores de referência Diferenças nos CCs dos órgãos situados na região pélvica Diferenças nos CCs dos endósteo, medula óssea vermelha, músculo, nódulos linfáticos e pele Diferenças nos CCs de dose efetiva Comparação simuladores híbridos UFHADM e UFHADF com AM e AF Conclusões 57 7 Sugestões para trabalhos futuros 59 8 Referências 60 Apêndice I Publicações no período 66 Anexo A Coeficiente de Conversão de Dose Equivalente dos simuladores AM e AF na postura sentada 68 Anexo B - Coeficiente de Conversão de Dose Equivalente dos simuladores UFHADM e UFHADF na postura sentada 101

10 x Lista de Figuras Figura 2.1. Interação fotoelétrica de um fóton com um elétron da camada K do átomo. (Figura adaptada de [27]) Figura 2.2. Processo de interação do fóton com camada eletrônica do átomo. (Figura adaptada de [27]) Figura 2.3. Regiões de predominância dos efeitos fotoelétrico, Compton e produção de pares em função da energia do fóton e do número atômico do material. Adaptado de POWSNER e POWSNER [29]... 9 Figura 2.4. Representação de um simulador matemático. Adaptado de XU et al. [31] Figura 2.5. Ilustração do processo de construção de um simulador voxel. Adaptado de XU et al. [31] Figura 2.6. Comparação trato alimentar de um simulador matemático, voxel e NURBS. Adaptado de LEE et al. [15] Figura 2.7. Representação em superfície mesh de um simulador masculino. Adaptado de Cassola et al. [32] Figura 2.8. Sistema espaço-fase para representação do fluxo do transporte da radiação da matéria Figura 3.1. Simuladores antropomórficos matemáticos ADAM (à esquerda) e EVA (à direita), desenvolvidos por Kramer et al. (1982). Adaptado de KRAMER et al. (2003) Figura 3.2. Cenário de irradiação com contaminação de 60 Co em carro e moveis utilizando simulador na postura sentado [52] Figura 3.3. Simulador na postura sentado utilizado por GUTERMAN et al. [53] para estudo a interação humana com radiação eletromagnética de antenas sem fio de laptop. Adaptado de GUTERMAN et al. [53]

11 xi Figura 3.4. Simulador antropomórfico voxel japonês na postura sentada, adaptado de [54] Figura 3.5. Cenário de irradiação em ambiente de exposição envolvendo contaminação de 137 Cs, adaptado de [56] Figura 3.6. Cenário utilizando contador de corpo inteiro e simulador na postura sentada desenvolvido por FONSECA et al. [57] Figura 3.7. Simulador do sexo feminino (FAX) na postura em pé (a) e sentado (b) irradiado por fótons monoenergético em geometria de irradiação antero-posterior. Adaptado de CAVALCANTE et al. [20] Figura 3.8. Simulador do sexo masculino (VOXTISS8) na postura em pé (a) e sentado (b) irradiado por fótons monoenergético em geometria de irradiação antero-posterior. Adaptada de GALEANO et al. [21] Figura 4.1. Simulador voxel de referência masculino (à esquerda) e feminino (à direita). Imagens obtidas pelo software VolView versão 2.0 [59] Figura 4.2. Simulador (a) AM na postura em pé e na postura sentada, e (b) AF na postura em pé e na postura sentada, após o processo de rotação da região da coxa para a mudança de postura Figura 4.3. Interface de visualização e edição do software Scion Image, versão Alpha [59] Figura 4.4. Simuladores antropomórficos adultos (a) masculino UFHADM e (b) feminino UFHADF Figura 4.5. Representação de uma matriz 11x18 com 5 células escrita em estrutura repetida Figura 4.6. Representação das fontes monoenergéticas nas geometrias de irradiação anteroposterior (AP), póstero-anterior (PA), lateral esquerdo (LLAT), lateral direito (RLAT), rotacional (ROT) e isotropico (ISO)... 32

12 xii Figura 5.1. Simulador AM na postura sentada em (a) corte frontal evidenciando o tronco, (b) corte frontal da perna, (c) corte sagital da coxa direita. (d) corte axial evidenciando da região pélvica ao joelho, (e) e (f) imagens volumétricas Figura 5.2. Simulador AF na postura sentada em (a) corte frontal evidenciando o tronco, (b) corte frontal da perna, (c) corte sagital da coxa direita. (d) corte axial evidenciando da região pélvica ao joelho, (e) e (f) imagens volumétricas Figura 5.3. Razão dos coeficientes de conversão de dose equivalente entre as duas posturas do simulador AM em todas as geometrias de irradiação para (a) cólon, (b) bexiga urinária, (c) próstata, e (d) testículos Figura 5.4. Razão dos coeficientes de conversão de dose equivalente entre as duas posturas do simulador AF em todas as geometrias de irradiação para (a) cólon, (b) bexiga urinária, (c) ovário e (d) útero Figura 5.5. Corte transversal da região pélvica do simulador (a) AM em pé (à esquerda) e sentado (à direita), e do simulador (b) AF em pé (à esquerda) e sentado (à direita). Em evidencia a bexiga urinária Figura 5.6. Mapa de fluência de fótons (cm-2) para o simulador AM na postura sentada em geometria de irradiação LLAT e feixe de fótons monoenergéticos de (a) 0,05 MeV e (b) 0,08 MeV. Imgens em cortes sagital e transversal e colocam em evidencia uma região onde contem a bexiga urinária Figura 5.7. Fluência de fótons nos testículos com feixe de fótons monoenergético e geometria de irradiação AP Figura 5.8. Mapa de fluência de fótons (cm-2) para o simulador AM na postura sentada em geometria de irradiação AP e feixe de fótons monoenergéticos de (a) 3 MeV e (b) 10 MeV. Imagens em cortes sagital e transversal e colocam em uma região onde contém os testículos Figura 5.9. Razão dos coeficientes de conversão de dose equivalente entre as duas posturas do simulador AM em todas as geometrias de irradiação para (a) endósteo e (b) RBM

13 xiii Figura Razão dos coeficientes de conversão de dose equivalente entre as duas posturas do simulador AF em todas as geometrias de irradiação para (a) endósteo e (b) RBM Figura Razão dos coeficientes de conversão de dose equivalente entre as duas posturas do simulador AM em todas as geometrias de irradiação para (a) músculo, (b) nódulos linfáticos, e (d) pele Figura Razão dos coeficientes de conversão de dose equivalente entre as duas posturas do simulador AF em todas as geometrias de irradiação para (a) músculo, (b) nódulos linfáticos e (c) pele Figura Razão dos coeficientes de conversão de dose efetiva entre as posturas sentada e em pé Figura Razão dos coeficientes de conversão de dose efetiva entre os simuladores híbridos UFHADM e UFHADF em comparação com os simuladores AM e AF Figura Visão superior simuladores (a) UFHADF e (b) AF, ambos na postura sentada, evidenciando a diferença da disposição da coxas dos dosi simuladores Figura 7.1. Cenário de exposição de um laboratório de dosimetria in-vivo utilizando contador de corpo inteiro e detector de HPGe

14 xiv Lista de Tabelas Tabela 2.1. Fator de peso da radiação recomendados pela publicação 103 da ICRP (2007) Tabela 2.2. Fator de peso do tecido recomendados pela publicação 103 da ICRP (2007).. 12 Tabela 2.3. Coeficientes de variação (CV) fornecidos por BRIESMEISTER [38] Tabela 4.1. Características dos simuladores antropomórficos AM e AF de referência da ICRP 110 [18] Tabela 4.2. Características dos simuladores antropomórficos AM e AF na postura sentada Tabela 4.3. Tamanho das fontes em nas geometrias de irradiação AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO para cada simulador Tabela 5.1. Massa dos órgãos dos simuladores AM e AF nas posturas em pé e sentada Tabela 5.2. Coeficiente de conversão de dose efetiva (pgy cm2) normalizado por fluência dos simuladores voxels AM e AF na postura sentada para feixe de fótons monoenergéticos e geometria de irradiação AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 5.3. Massa (g) e diferença percentual dos órgãos que compõem os simuladores híbridos UFHADM e UFHADF em comparação com os simuladores AM e AF Tabela 5.4. Coeficientes de conversão de dose efetiva normalizado por fluência (pgy cm2) dos simuladores híbridos UFHADM e UFHADF na postura sentada para feixe de fótons monoenergéticos e geometria de irradiação AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.1. AM sentado: dose equivalente por fluência para a bexiga urinária em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de irradiação AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISSO

15 xv Tabela 0.2. AM postura sentada: dose equivalente por fluência para o cérebro em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de irradiação AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.3. AM postura sentada: dose equivalente por fluência para o cólon urinária em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.4. AM postura sentada: dose equivalente por fluência para a cristalino dos olhos em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.5. AM postura sentada: dose equivalente por fluência para a endósteo em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.6. AM postura sentada: dose equivalente por fluência para o esôfago em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.7. AM postura sentada: dose equivalente por fluência para o estomago em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.8. AM postura sentada: dose equivalente por fluência para o fígado em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.9. AM postura sentada: dose equivalente por fluência para a glândula salivar em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AM postura sentada: dose equivalente por fluência para as gônadas (testículos) em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO

16 xvi Tabela AM postura sentada: dose equivalente por fluência para a medula óssea vermelha em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AM postura sentada: dose equivalente por fluência para a pele em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AM postura sentada: dose equivalente por fluência para o pulmão em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AM postura sentada: dose equivalente por fluência para os restantes em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AM postura sentada: dose equivalente por fluência para os seios em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AM postura sentada: dose equivalente por fluência para a tireoide em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para a bexiga em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para o cérebro em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para o colón em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO... 87

17 xvii Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para o cristalino dos olhos em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para o endósteo em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para o esôfago em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para o estomago em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para o fígado em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para a glândula salivar em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para as gônadas (ovário) em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para a medula óssea vermelha em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para a pele em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO... 96

18 xviii Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para o pulmão em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para os restantes em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para os seios em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela AF postura sentada: dose equivalente por fluência para a tireoide em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.1. UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para a bexiga urinária em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.2. UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para o cérebro em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.3. UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para o cólon em unidades de pgy cm^2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.4. UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para o cristalino dos olhos em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.5. UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para o endósteo em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO

19 xix Tabela 0.6. UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para o esôfago em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.7. UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para o estomago em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.8. UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para o fígado em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela 0.9. UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para a glândula salivar em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para as gônadas (testículos) em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para a medula óssea vermelha em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para a pele em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para o pulmão em unidades de pgy cm^2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para o restante em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO

20 xx Tabela UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para os seios em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADM postura sentada: dose equivalente por fluência para a tireoide em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para a bexiga em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para o cérebro em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para o cólon em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para o cristalino dos olhos em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para o endósteo em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para o esôfago em unidades de pgy cm^2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para o estomago em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO

21 xxi Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para o fígado em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para a glândula salivar em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para as gônadas (ovários) em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para medula óssea vermelha em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para a pele em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para o pulmão em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para os restantes em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para os seios em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO Tabela UFHADF postura sentada: dose equivalente por fluência para a tireoide em unidades de pgy cm2, para fótons monoenergéticos em geometrias de incidência AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO

22 ii

23 1 Introdução A estimativa da dose absorvida nos órgãos e tecidos é essencial para a avaliação dos riscos nas exposições médicas e ocupacionais. A publicações de nº 103 da Comissão Internacional em Proteção Radiológica (International Commission on Radiological Protection - ICRP) [1] estabelecem limites para a exposição de indivíduos na condição de exposição à radiação, a fim de garantir segurança no uso das radiações ionizantes e proteger a população nessas condições. Entretanto, os limites de dose recomendados são estabelecidos em termos de grandezas limitantes de proteção radiológica (dose equivalente e dose efetiva), que não podem ser medidas diretamente no indivíduo exposto. Logo, é necessária relacionar grandezas limitantes com grandezas físicas de proteção radiológica (ex. Fluência, Kerma, Dose Absorvida, etc.) por meio da utilização de coeficientes de conversão de doses (CCs) [2 5]. Devido a impossibilidade da determinação da dose de radiação diretamente nos seres humanos, surgiu à necessidade de se desenvolver simuladores, físicos e computacionais, que representasse da forma mais fiel possível, o corpo humano [6,7]. O uso de simuladores antropomórficos computacionais para representar uma população, juntamente com códigos que simulam o de transporte de radiação baseado no método Monte Carlo, tornou-se uma da ferramenta comum, e poderosa, para estimativas de dose para proteção radiológica em diferentes cenários de exposição [8,9]. Os primeiros modelos utilizados para representar corpo humano, foram os simuladores matemáticos, o qual utilizam equações matemáticas para representar a anatomia humana, como superfícies planas, cilindros, elípticas e esferas [10]. Embora o modelo matemático constitua um grande avanço na representação da anatomia humana, esse possui ainda grande limitação, tanto em número de órgãos, quanto em distribuição, localização, tamanho e composições química e física, diminuindo a fidelidade de sua representação. Com o advento de novas técnicas de imagem, como tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (RM), tornaram possível a construção de uma nova geração de modelos antropomórficos para simulação, com anatomia mais realística e fiel ao corpo

24 Introdução humano. A estes novos simuladores são atribuídos o nome de simuladores antropomórficos tipo voxel (Volume pixel) [7,11,12]. Existem ainda outras duas classes de simuladores tipo voxel, no entanto ela diferenciam-se na sua forma de construção, que são os simuladores híbridos NURBS (Non Uniform Rational Basis Spline) e MESH. Ambos são construídos utilizando superfícies em malhas. Os simuladores NURBs também são baseados em imagens anatômicas de TC e MR e são utilizadas ferramentas de modelagem por malhas. Os simuladores em MESH são construídos sem a necessidade de recursos de imagens de TC ou de RM e são utilizados programas computacionais (Blender, MakeHuman, ImajeJ, Scion Image etc). Por meio desses programas é possível construir simuladores com diferentes tipos de massa corpórea, sexo, postura, tamanho, forma e localização dos órgãos e idade [13 17]. A publicação nº 110 da ICRP [18] fornece dois simuladores antropomórficos voxel, um do sexo masculino e outro do sexo feminino, para serem utilizados nas estimativas de doses em diversos cenários de irradiação e ambos são recomendados como simuladores de referência para cálculo de coeficientes de conversão de dose. A publicação nº 116 da ICRP [19] utiliza estes simuladores para o cálculo destes coeficientes e conversão de dose para exposição a fótons, nêutrons, elétrons, pósitrons e prótons em cenários idealizados. Devido à forma de aquisição das imagens de TC e RM, onde o indivíduo está na postura deitada e, mesmo com o avanço na construção de simuladores, como NURBs e MESH, ainda são poucos os trabalhos publicados com simuladores construídos para retratar situações de exposição médica e ocupacional em que o indivíduo fica exposto à fonte de radiação ionizante em uma postura diferente da postura supina (ou em pé), como por exemplo, na postura sentada. CAVALCANTE et al. [20] e GALEANO et al. [21] realizaram o cálculo de coeficientes de conversão de dose equivalente para um simulador do sexo feminino e masculino, respectivamente, na postura em pé e sentado com feixes de fótons monoenergéticos e geometria de irradiação antero-posterior. ALVES at al. [22] realizou o cálculo de coeficientes de conversão de dose equivalente com feixe de prótons monoenergéticos do simulador NURBS feminino UFHADF na postura em pé e sentada. Exemplos de tais posturas incluem os tripulantes abordo de uma aeronave, astronautas, uma pessoa submetida a certo tipo de procedimento radiológico, tais como raio 2

25 Introdução X panorâmico e cone beam odontológico, radioterapêutico em técnica de irradiação de corpo inteira TBI (Total Body Irradiation), um acidente nuclear onde os trabalhadores se encontram sentados, e aquisição da atividade por meio de um contador de corpo inteiro. Como dito anteriormente, as condições de irradiação devem ser mais realistas possíveis para minimizar as incertezas e erros na estimativa das doses nos órgãos e tecidos. Nesta postura, alguns dos órgãos radiossensíveis, tais como bexiga, as gônadas, rins e baço são expostos de forma diferente. Essas situações mostram que é de grande interesse avaliar os efeitos da postura sentada sobre as doses de radiação nos órgãos e tecidos e, potencialmente, melhorar a precisão dos cálculos desta grandeza. Assim, há uma tendência no âmbito científico mundial que aponta necessidades de construir simuladores antropomórficos com posturas cada vez mais realistas. 1.1 Objetivos gerais Neste sentido, o objetivo principal deste trabalho é modificar a posturas dos simuladores antropomórficos de referência da publicação nº 110 da ICRP [18] para a postura sentada e elaborar cenários de irradiação idealizados pela publicação n 116 ICRP [19] para a comparação da deposição energética em diferentes posturas. Além de comparar com os simuladores híbridos adultos masculino UFHADM e feminino UFHADF desenvolvido e modificado por LEE et al. [17]. 1.2 Objetivos específicos Modificação da postura do simulador Adult Male (AM) da postura supinada para a postura sentada utilizando softwares livres para a reconstrução e visualização; Modificar a postura do simulador Adult Female (AF) da postura supinada para a postura sentada utilizando softwares livres para a reconstrução e visualização; Inserir os simuladores no código de transporte de radiação MCNPX e MCNP5 (PELOWITZ, 2011); Inserir os simuladores híbridos UFHADM e UFHADF na postura sentada ao código de transporte de radiação MCNPX; Realizar cenários de exposição utilizando feixe de fótons monoenergéticos com energias entre 0,010 MeV e 10 MeV, nas geometrias de irradiação antero-posterior 3

26 Introdução (AP), póstero-anterior (PA), lateral-esquerdo (LLAT), lateral-direito (RLAT), rotacional (ROT) e isotrópico (ISO), com os simuladores imerso em vácuo; Obter os coeficientes de conversão (CCs) de dose equivalente e dose efetiva para cada simulador, em cada postura e em cada energia de fótons incidentes; Comparação dos CCs dos simuladores AM e AF na postura sentada com os resultados obtidos pela publicação n 116 da ICRP (2010); Comparação dos CCs dos simuladores UFHADM e UFHADF na postura sentada com os simuladores AM e AF na postura sentada; Tabular os CCs de dose equivalente e dose efetiva dos simuladores AM, AF, UFHADM e UFHADF na postura sentada. 4

27 2 Fundamentação Teórica 2.1 Interações do fóton com a matéria Por ser eletronicamente neutro, o fóton pode percorrer um caminho extenso antes sofrer uma interação com o átomo, quando comparado com as partículas carregadas. A distância que um fóton percorre em um dado material é determinada pela probabilidade estatística de interação, a qual depende do material e da energia do fóton. Ao interagir, o fóton pode ser absorvido, ocorrendo a deposição completa de sua energia, ou ser espalhado, alterando seu sentido e sofrendo ou não perda de energia [23]. Os principais mecanismos de interação que ocorrerem no intervalo energético utilizado neste trabalho são o espalhamento coerente, o efeito fotoelétrico e o espalhamento Compton. Das interações do fóton com a matéria, ainda são possíveis a produção de pares e reação fotonuclear, entretanto ocorrem somente em intervalos energéticos muito altos Espalhamento Coerente No espalhamento coerente, o fóton incidente interage com os elétrons ligados ao átomo como um todo. Os elétrons oscilam classicamente em resposta ao vetor de onda eletromagnética do fóton incidente. Os elétrons excitados voltam ao seu estado inicial emitindo fótons que estão em fase com os fótons incidentes. Entretanto, a direção do fóton espalhado pode ser diferente daquele incidente [23,24][23,24]. A seção de choque diferencial por unidade de ângulo sólido para o espalhamento coerente, a partir da interação de um fóton incidente por um elétron livre, é dada pela equação 1 [25]: d e σ coh dω = r e 2 2 (1 + cos2 θ)f 2 (x, Z) (1)

28 Fundamentação Teórica onde re o raio clássico do elétron (2, m), θ o ângulo de espalhamento e F é conhecido como fator de forma coerente, que é função do número atómico, Z, do átomo alvo e a um parâmetro x, que é dado pela equação: x = sen(θ 2 ) γ (2) onde γ é o comprimento de onda do fóton incidente Efeito Fotoelétrico Denomina-se efeito fotoelétrico quando ocorre a ejeção de um elétron como resultado da absorção total do fóton. Neste tipo de interação, o fóton incidente é totalmente absorvido por um elétron fortemente ligado ao átomo e é ejetado com energia cinética EK igual à energia do fóton incidente menos a energia de ligação do elétron ao átomo (equação 3). O elétron ejetado é chamado de fotoelétron [23 25]. E k = hν E b (3) onde hν é a energia do fóton incidente (ev), e Eb é a energia de ligação do elétron ao átomo. Não há uma equação analítica simples para absorção do fóton por efeito fotoelétrico, porém uma aproximação validade é dada pela equação 4 [23 25]: σ fe = Z4 (hν) 3 (4) Assim, a probabilidade de ocorrer o efeito fotoelétrico dependente fortemente número atômico do material e da energia do fóton incidente [23,25,26]. A Fig. 1 mostra, de forma esquemática, a interação de um fóton com um elétron orbital da camada K de um átomo. 6

29 Fundamentação Teórica Figura 2.1. Interação fotoelétrica de um fóton com um elétron da camada K do átomo. (Figura adaptada de [27]). Ao ser arrancado, o fotoelétron deixa uma vacância na camada K ou L do material, que é preenchida por um elétron das camadas mais energéticas, emitindo um fóton de energia igual a diferença de energia entre as duas camadas, denominado raio X característico. No entanto, pode haver, ao invés do raio X característico, a emissão de um elétron, denominado elétron Auger. [23,25] Efeito Compton O efeito Compton ocorre da interação do fóton incidente e um elétron livre do material absorvedor, ocorrendo ionização do átomo. O fóton incide com energia E e comprimento de onda λ é espalhado com energia E e comprimento de onda λ em um ângulo θ em relação a sua direção inicial, como ilustrado na Fig. 2 [25,28]. Nessa interação o elétron ejetado é chamado de elétron Compton. A energia do fóton espalhado é igual à diferença entre a energia da radiação incidente e a energia do elétron Compton, visto que a energia de ligação do elétron é relativamente pequena em relação ao fóton incidente. 7

30 Fundamentação Teórica Figura 2.2. Processo de interação do fóton com camada eletrônica do átomo. (Figura adaptada de [27]). A expressão que relaciona a energia transferida e o ângulo de espalhamento pode ser obtida aplicando simultaneamente a conservação de energia e momento das partículas envolvidas neste processo [23,25]. A conservação total de energia na colisão exige que: hν + m 0 c² = hν + E e (5) onde m0c² é a energia do elétron em repouso (0,511 MeV), hv é a energia do fóton espalhado após a interação (ev) e Ee é a energia cinética do elétron (ev) após a interação. A energia do fóton espalhado, em função do ângulo de espalhamento é dado pela equação 6: hυ = hυ 0 (6) 1+ hυ 0 m0c 2(1 cosθ) E a energia de recuo do elétron, E e, em função do ângulo de espalhamento é dada pela equação 7: E e = hv 0 ε (1 cos θ) 1+ ε (1 cos θ) (7) onde ε = hυ 0 m 0 c 2. A fórmula de Klein-Nishina dá a distribuição angular dos fótons espalhados pelo efeito Compton: 8

31 Fundamentação Teórica σ comp Ω Zr 0 2 ( 1 ) θ 1+ε(1 Cosθ) (1+cos2 2 ) (1 + ε 2 (1 cosθ) 2 (1+ cos 2 θ)[1+ε(1 cosθ)] ) (8) onde d eσ Comp dω é a seção de choque diferencial de espalhamento (m 2 ). Conhecendo o valor da energia e do ângulo do fóton espalhado (θ), a partir da equação de Klein-Nishina, a nova direção do elétron é obtida pela equação 9: cot = (1 + ε)tan θ 2 (9) A probabilidade de ocorrência do espalhamento Compton e efeito fotoelétrico, dependem da energia do fóton incidente e do número atômico do material absorvedor. A Fig. 4 mostra a relação de predominância dos efeitos em função do número atômico do material e da energia do fóton incidente. Figura 2.3. Regiões de predominância dos efeitos fotoelétrico, Compton e produção de pares em função da energia do fóton e do número atômico do material. Adaptado de POWSNER e POWSNER [29]. Tendo em vista que o número atômico efetivo do tecido humano é de aproximadamente 8 para o tecido mole e 12 para o esqueleto, e o intervalo de energia utilizado neste trabalho, os efeitos predominantes são o efeito fotoelétrico e o espalhamento Compton. 9

32 Fundamentação Teórica 2.2 Grandezas Dosimétricas Fluência (φ) A fluência de partículas φ é definida como sendo o número de partículas incidentes em uma esfera de área transversal [30]. Assim: Φ = dn da (10) onde, dn é número de partículas, e da é o elemento de área. Esta grandeza é expressa pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) em partículas m -2. A fluência de energia Ψ é definida como sendo a energia incidente sobre uma esfera de área transversal da [30]. Assim: Ψ = de da (11) onde de é a energia incidente (J), e da é o elemento de área. Esta grandeza é expressa pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) em J m Dose Absorvida A dose absorvida é definida como sendo a energia média depositada pela radiação ionizante na matéria por unidade de massa [30]. Dessa forma: D = de dm (12) onde de é a energia média depositada na matéria (J). Assim como o kerma, a dose absorvida é expressa em J kg -1 no Sistema Internacional, mas foi atribuído um nome especial para essa unidade, denominado gray (Gy) Dose Equivalente A dose equivalente, além da quantidade de energia absorvida por elemento de massa dm, também leva em consideração toxidade da radiação para um determinado órgão ou 10

33 Fundamentação Teórica tecido. Dessa forma, a dose equivalente é a quantidade de dose média absorvida por um determinado órgão ou tecido em função do tipo de radiação a qual o órgão ou tecido foi exposto [1]. Assim: H T = w R D T,R (13) onde w R é o fator de ponderação da radiação R (adimensional), e D T,R a dose média absorvida (J kg -1 ou Gy) no órgão ou tecido, T, pelo tipo de radiação, R. A dose equivalente é expressa em J kg -1 no Sistema Internacional (SI), mas foi atribuído um nome especial para essa unidade, denominada o sievert (Sv). Os valores de w R foram atualizados na publicação 103 da ICRP (2007). A tabela 3.1 apresenta os valores de w R contidos na 103 da ICRP, respectivamente. Tabela 2.1. Fator de peso da radiação recomendados pela publicação 103 da ICRP (2007). Tipo de radiação e intervalo de energia Fator de peso da radiação, w R Fótons, todas as energias 1 Elétrons e muons, todas as energias 1 Prótons e pions carregados 2 Partículas alfa, fragmentos de fissão e núcleos pesados 20 Nêutrons Função contínua de energia dos nêutrons O fator de peso da radiação para nêutrons recomendados pela publicação 103 da ICRP (2007) é uma função contínua de energia, como apresentado na equação w R = 2,5 + 18,2 e [ln(e)]2 6, para E < 1 MeV w R = 5,0 + 17,0 e [ln(2e)]2 6, para 1 E 50 MeV w R = 2,5 + 3,25 e [ln(0,04e)]2 6, para E > 50 MeV 11

34 Fundamentação Teórica Dose Efetiva A dose efetiva é a soma, sobre todos os órgãos e tecidos, do produto da dose equivalente por um fator de ponderação referente a cada tecido ou órgão [1]. E = T w T H T,R (14) onde w T é o fator de ponderação referente a cada tecido ou órgão T (adimensional), e H T,R é a dose equivalente no órgão ou tecido provocado pelo tipo de radiação R (J kg -1 ou Sv). O fator de ponderação w T está relacionado com a contribuição relativa de cada órgão ou tecido para o detrimento total causado pelos danos da radiação em uma irradiação uniforme de corpo inteiro. A publicação 103 da ICRP (2007) fornece os valores para o w T de cada órgão e tecido de referência. Tabela 2.2. Fator de peso do tecido recomendados pela publicação 103 da ICRP (2007). Órgão ou Tecido Fator de peso do órgão ou tecido (wt) ΣwT Gônadas 0,08 0,08 Medula óssea (vermelha), cólon, pulmão, estômago, seios, restantes* 0,12 0,72 Bexiga, esôfago, fígado, tireoide 0,04 0,16 Superfície óssea, cérebro, glândula salivares, pele 0,01 0,04 * Os órgãos restantes são compostos por: adrenais, região extratorácica, vesícula biliar, coração, rins, nódulos linfáticos, músculo, mucosa oral, pâncreas, próstata, intestino delgado, baço, timos, útero. 2.3 Simuladores antropomórficos computacionais de exposição É possível estimar a dose de radiação no corpo humano através de simuladores físicos que são construídos com materiais equivalentes química e fisicamente aos tecidos do corpo humano. Sendo assim, a estimativa é feita através de dosímetros posicionados estrategicamente em regiões centrais e/ou periféricas dos órgãos destes simuladores. Porém, este é um procedimento limitado, pois não oferece uma estimativa precisa em órgãos com dimensões muito pequenas, como a pele, parede do cólon, entre outros, por exemplo. Assim, o uso de simuladores antropomórficos computacionais para representar uma população, juntamente com códigos de transportes de radiação baseado no método Monte Carlo, 12

35 Fundamentação Teórica tornaram-se ferramentas comuns e poderosas para a proteção radiológica em diferentes cenários de exposição. Os primeiros modelos apareceram em 1969 [10] e são conhecidos como simuladores matemáticas. Esses são construídos por meio de equações matemáticas que representam os órgãos e tecidos como planos, esferas, elipsoides, cilindros, tiroides, etc., como representado na Fig Figura 2.4. Representação de um simulador matemático. Adaptado de XU et al. [31]. Embora o modelo matemático trouxe um grande avanço na representação da anatomia humana, esse possui ainda grande limitação, tanto em número de órgãos, quanto em distribuição, localização, tamanho e composições química e física, diminuindo a fidelidade de sua representação. Com o avanço tecnológico na aquisição de imagens anatômicas no radiodiagnóstico, um novo tipo de simulador foi desenvolvido. Os simuladores voxel (VOlume pixel) são baseados em imagens de tomografia computadoriza (TC) e ressonância magnética (RM) obtidas de uma pessoa real representando de forma mais fiel a anatomia do corpo humano quando comparado com os simuladores matemáticos. Este tipo de simulador é construído a partir da voxelização e superposição das imagens segmentadas por TC ou RM, como mostra a Fig As imagens segmentadas são transformadas em uma matriz de voxel, em que cada voxel representa uma parte do órgão ou tecido. Geralmente, a altura do pixel depende da colimação e do passo utilizado na aquisição da imagem de TC. Os diversos órgãos são 13

36 Fundamentação Teórica segmentados de acordo com os diferentes níveis de densidade, que são retratados pela imagem da TC e em diferentes tons de cinza [7,11,12]. Figura 2.5. Ilustração do processo de construção de um simulador voxel. Adaptado de XU et al. [31] Apesar de obter um realismo anatômico considerável, os simuladores voxels são mais inflexíveis e difíceis de sofrerem modificações anatômicas ou de posição. Uma abordagem híbrida melhora a flexibilidade dos simuladores permitindo mudanças mais expressivas, possibilitando, até, alcançar um realismo anatômico mais compatível com a população que se deseja estudar. Os simuladores híbridos utilizam simuladores voxel ou imagens médicas aliado a técnica NURBS (Non Uniform Rotional B-Spline), e proporcionam superfícies muito lisas e suáveis ao exterior do órgão ou tecido, tal qual um simulador matemático, e as faces podem, alternativamente, ser representados como polígonos cujos vértices são definidos por um conjunto de coordenadas valores x, y, e z. A Fig. 2.6 compara os órgãos do trato alimentar nos 3 tipos de simuladores. Uma outra classe de simuladores são os simuladores construídos a partir de superfícies de polígonos de malhas, conhecidos como simuladores mesh. A superfície mesh é composta por conjuntos de vértices, arestas e faces que especificam a forma de um objeto no espaço tridimensional. São construídos sem a necessidade de recursos de imagens de TC ou de RM [13]. A Fig. 2.7 ilustra um simulador em superfície mesh. 14

37 Fundamentação Teórica Figura 2.6. Comparação trato alimentar de um simulador matemático, voxel e NURBS. Adaptado de LEE et al. [15]. Figura 2.7. Representação em superfície mesh de um simulador masculino. Adaptado de Cassola et al. [32]. Após sua construção, os simuladores mesh são voxealizados para serem introduzidos em códigos que simulam o transporte de radiação na matéria por Método de Monte Carlo. 15

38 Fundamentação Teórica 2.4 O Método de Monte Carlo (MMC) O método de Monte Carlo (MMC) surgiu em 1949 com o artigo The Monte Carlo Method de autoria de Metropolis, N. e Ulam, S. [33]. O MMC é um método numérico de soluções de problemas físicos ou matemáticos pela simulação de números aleatórios. De acordo com LOUREIRO [34], os principais componentes do algoritmo que envolve o MMC para soluções de problemas são: Distribuição de probabilidade: O sistema físico (ou matemático) estudado pode ser descrito por uma ou mais distribuições de probabilidade. Gerador de números pseudoaleatórios: É necessária uma fonte rápida e confiável de geradores de números pseudoaleatórios independentes e uniformemente distribuídos no intervalo de (0, 1), pois o método baseia-se na aleatoriedade dos processos. Marcação ou contagem: Os resultados de cada simulação devem ser acumulados. Os contadores são utilizados para acumular o número de tentativas e sucessos durante as simulações. No transporte de radiação, o processo pode ser visto como uma família de partículas cujas coordenadas individuais mudam aleatoriamente em cada colisão, e o comportamento médio dessas partículas é descrito em termos de grandezas macroscópica, como fluxo de partículas, fluxo energético ou densidade de partículas. O valor esperado dessas grandezas corresponde à solução determinística da equação de Boltzman, em que, o parâmetro para resolver tal equação mais importante é a função de distribuição, ou seja, o fluxo Φ(r, Ω, E, t), que é função dos vetores posição r, direção Ω, e os escalares energia E e tempo t [9,35,36]. Esta função distribuição é inserida na equação de transporte de Boltzmann, conforme é visto na equação 15: Ω Φ(r, Ω, E, t) + μ t (r, E)Φ(r, Ω, E, t) = 4π dω 8 deμ s (E 0 E, Ω Ω Φ(r, Ω, E, t) + s(r, Ω, E, t) (15) Na Fig. 3.9 estão representadas as variáveis que definem a função distribuição. 16

39 Fundamentação Teórica z ΩሬԦ z φ θ 0 x θ y x φ 0 y Figura 2.8. Sistema espaço-fase para representação do fluxo do transporte da radiação da matéria. No processo de transporte de partículas não carregadas considera-se que a densidade das partículas incidentes é muito menor do que a densidade das partículas do meio, que não há interação entre as partículas incidentes e que não existem forças externas. A probabilidade de ocorrência de uma interação da partícula com o material entre o intervalo de distância x e x + dx segue uma distribuição de Poisson, dada pela equação 16: p(x)dx = e μtx μ t dx (16) onde Σ t é a probabilidade de interação da partícula por unidade de distância. Existe uma variável x para cada número aleatório distribuído uniformemente entre o intervalo 0 η 1 em que a função de distribuição acumulada obedece a seguinte relação: x η = p(x 1 )dx 0 1 (17) Substituindo o valor de p(x), da distribuição de Poisson, na equação 17 e integrando, a variável aleatória têm a seguinte forma: η = 1 e μ tx (18) 17

40 Fundamentação Teórica ou x = ln(1 η) μ t (19) (1 η) também é distribuído uniformemente entre o intervalo (0, 1), então seu valor é igual a η, assim: x = ln(η) μ t (20) Assim, o MMC pode simular problemas de transporte de partículas em qualquer meio material e a exatidão dos resultados dependem da proximidade das teorias físicas de interação com a realidade, e do número de histórias executadas Determinação de erros no MMC A média de várias histórias executadas durante a simulação apresenta o resultado do cálculo a que se pretende resolver utilizando o MMC [35,37]. O valor médio, ou esperança, M x de uma variável x com função de probabilidade p(x) é dada pela equação 21: b M x = x p(x)dx a (21) onde p(x) e M x não são conhecidos exatamente, porém, a média, x, pode ser estimada através do MMC por meio da equação 22: x = 1 N x i = 1 (22) onde x i é o valor de x correspondente à história da partícula i, e N é o número total de histórias, ou seja, o número total de partículas. A variância, σ 2 da variável x pode ser estimada pela equação 23: σ 2 = 1 N (xi x )2 N 1 i=1 (23) Para um número grande de N, a variância da distribuição da média x pode ser calculada pela equação 24: 18

41 Fundamentação Teórica σ x = σ N (24) Para a redução do valor de σ x é executado quatro vezes o número de histórias, pois é um problema intrínseco ao MMC [37]. Utilizando o Teorema do Limite Central, quando N >> 1: i. x σ x < M x < x + σ x, quando o intervalo de confiança é de 68 %; ii. x 2σ x < M x < x + 2σ x, quando o intervalo de confiança é de 95 %; iii. x 3σ x < M x < x + 3σ x, quando o intervalo de confiança é de 99,7 %. Para se calcular o desvio padrão da grandeza dose absorvida em cada órgão, SD, utilizamos a equação 25: S D 2 = N (D i D ) 2 i=1 (25) N(N 1) onde N é o número de histórias, D i é a dose absorvida pelo i-ésimo fóton e D é a dose absorvida média depositada em cada órgão. Com o desvio padrão, calcula-se o coeficiente de variação (CV): CV = S D D (26) A Tabela 3.3 apresenta uma forma, fornecida por BRIESMEISTER (2000), de verificar a confiabilidade dos cálculos do transporte de radiação utilizando o MMC. Tabela 2.3. Coeficientes de variação (CV) fornecidos por BRIESMEISTER [38]. Valores de CV Classificação da grandeza calculada 0,5 a 1 Descartável 0,2 a 0,5 Pouco confiável 0,1 a 0,2 Questionável < 0,1 Geralmente digna de confiança, exceto para detectores pontuais < 0,05 Geralmente digna de confiança 19

42 3 Estado da Arte Desde os anos de 1960, um grande número de simuladores antropomórficos computacionais foi divulgado por estudos envolvendo radiações ionizante e não-ionizantes [10,31,39 42]. Os primeiros modelos utilizados para representar corpo humano, foram em sua maioria, simuladores em formato cilíndricos e esféricos. Na publicação n 23 da ICRP [43], o simulador matemático foi aperfeiçoado por SNYDER et al. [44] e ficou conhecido como MIRD5 (Medical Internal Radiation Dose Committee, pamphlet nº 5). Este possuía órgãos masculinos e femininos no mesmo simulador. KRAMER et al. [45], por sua vez, desenvolveram versões masculina e feminina do MIRD5, conhecidas como ADAM e EVA, cujos órgãos e tecidos estão de acordo com os dados do Homem de Referência da publicação 23 da ICRP [43]. A Fig. 2.1 apresenta os simuladores matemáticos ADAM e EVA. Figura 3.1. Simuladores antropomórficos matemáticos ADAM (à esquerda) e EVA (à direita), desenvolvidos por Kramer et al. (1982). Adaptado de KRAMER et al. (2003). A partir da década de 1980, novas técnicas de imagem, como tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (RM), tornaram possível a construção de nova geração de modelos anatômicos, denominados de simuladores antropomórficos de voxel. Os simuladores voxels foram introduzidos por GIBBS et al. [46] e por WILLIAMS et al. [47]. ZUBAL et al. [7,48] desenvolveram e aperfeiçoaram, com base em imagens de ressonância magnética e tomografia computadorizada de um homem adulto da cabeça até um ponto médio da coxa, o simulador masculino VOXELMAN até chegar a sua última versão, o VOXTISS8, que foi construído a fim de que suas dimensões de altura e massa

43 Fundamentação Teórica coincidisse o mais próximo possível com o homem de referência da publicação n 23 da ICRP [43], e possuía 176 cm e 73 kg. KRAMER et al. [11,12] aperfeiçoou o simulador VOXTISS8 a fim de se obter simuladores com dimensões e órgãos mais reais e próximo a recomendação da publicação n 89 da ICRP [49] e publicou os simuladores adultos masculino (MAX) e feminino (FAX) [11,12]. Por fim, a publicação n 110 da ICRP [18] publicou os simuladores adultos de referência da ICRP e ICRU para estimativas de dose e cálculos de coeficientes de conversão. Os mesmos representam um homem adulto de 176 cm e massa de 73 kg, e uma mulher adulta de 163 cm e 60 kg. Ambos são baseados em imagens de tomografia computadorizada de pessoas reais com dimensões aproximadas as de referência da publicação n 89 da ICRP [18]. Os tipos de simuladores mais recentes foram desenvolvidos a partir 2007 e trouxeram a flexibilidade dos simuladores matemáticos e o realismo dos simuladores voxels para o mesmo simulador, que são os simuladores tipo BREP (Boundary REPresentation) que utilizando a técnica NURBS e MESH. Dois exemplos são: LEE et al. [15 17] que desenvolveram uma família de simuladores, desde recém-nascidos até adultos utilizando a técnica NURBS. E, paralelamente, CASSOLA et al. [13,32,50] que construíram simuladores de 5 anos, 10 anos e adultos utilizando superfície MESH. Mais recentemente YOEM et al. [51] tem transformado os simuladores de referência em superfície NURBS. O desenvolvimento ou modificação de simuladores antropomórficos para cenários de radiação mais es OLSHER et al. [52] colocou um simulador matemático representando um homem adulto na postura sentada em dois cenários de irradiação onde existia contaminação de 60 Co, em uma sala de escritório com paredes e objetos contaminados, e em um carro Chevrolet Impala automobile, homogeneamente contaminado (Fig. 3.2). Foram calculadas doses equivalente na medula óssea, superfície óssea e gônadas. No cenário da sala de escritório foi estimado taxa de dose efetiva para 1 Bq de 60 Co de 4,33x10 17 Sv s 1 e a gônadas correspondeu a 44,6% da dose efetiva. No carro a taxa de dose efetiva estimada foi de 3,754x10 17 Sv s 1. 21

44 Fundamentação Teórica Figura 3.2. Cenário de irradiação com contaminação de 60 Co em carro e moveis utilizando simulador na postura sentado [52]. GUTERMAN et al. [53] utilizaram um simulador na postura sentada, típica de usuários de laptop, para simular a interação humana com a radiação eletromagnética de antenas sem fio de computadores portáteis (Wi-Fi). O simulador foi criado no software Poser representando um indivíduo adulto de massa 72 kg e 177 cm. Uma vez que foram utilizados apenas a forma e tamanho externo, o simulador gerado é homogêneo com um material de densidade de massa de ρ=1000 kg/m 3, que correspondem a propriedades médias de 85 % de músculo e 15 % de gordura. A Figura 3.3 apresenta dois cenários utilizados no trabalho. Figura 3.3. Simulador na postura sentado utilizado por GUTERMAN et al. [53] para estudo a interação humana com radiação eletromagnética de antenas sem fio de laptop. Adaptado de GUTERMAN et al. [53]. Tendo em vista a limitação da postura ereta em simuladores tipo voxel, um simulador antropomórfico japonês na postura sentada foi desenvolvido, conforme representado na Fig. 3.4, com o objetivo de utilizar em cenários de irradiação não ionizantes de dispositivos de telecomunicações sem fio [54]. Até o momento não foi encontrado nenhum estudo de estimativa de dose absorvida em cenários com fontes de radiações ionizantes utilizando este simulador. 22

45 Fundamentação Teórica Figura 3.4. Simulador antropomórfico voxel japonês na postura sentada, adaptado de [54]. Simuladores do sexo masculino e feminino com características anatômicas coerentes com a publicação 89 da ICRP [18] foram desenvolvido por ZHANG et al. [55], e introduzidos por SU et al. [56] na postura em pé e sentada em um ambiente de exposição envolvendo contaminação de 137 Cs no solo e um cenário onde o indivíduo estava posicionado em um quarto acima da sala de exame de PET (Positron Emission Tomograghy) (Fig. 3.5). No cenário de contaminação no solo com 30 kbq m 2 não foi encontrado diferença significativa na deposição de dose nos órgãos entre as duas posturas, com exeção dos testículos no simulador masculino. No cenário de PET com fonte de 511 kev a dose efetiva no simulador masculino foi de 2,5 μsv d 1. A dose equivalente para a maioria dos órgãos foi 40%-117% no simulador na postura sentada e concluem que simuladores com posturas modificadas são potencialmente úteis para uma estimativa de dose mais precisa. Figura 3.5. Cenário de irradiação em ambiente de exposição envolvendo contaminação de 137 Cs, adaptado de [56]. 23

46 Fundamentação Teórica FONSECA et al. [57] desenvolveram simuladores masculinos e femininos na postura sentada utilizando o software MakeHuman para ser utilizado em cenários de contadores de corpo inteiro, como ilustrado na Fig Entretanto, estes simuladores não possuem órgãos internos, então foi considerado uma mistura homogênea de 50 % de musculo e 50 % de tecido mole com densidade de 1,05 g/cm 3. Figura 3.6. Cenário utilizando contador de corpo inteiro e simulador na postura sentada desenvolvido por FONSECA et al. [57]. CAVALCANTE et al. [20] e GALEANO et al. [21] realizaram o cálculo de coeficientes de conversão de dose equivalente para um simulador do sexo feminino e masculino, respectivamente, na postura em pé e sentado com feixes de fótons monoenergéticos e geometria de irradiação antero-posterior (Fig. 3.7 e 3.8). Os resultados foram comparados entre si e foi observado diferenças significativas nos valores do CCs em alguns órgãos, como a pele, músculo, superfície óssea, medula óssea vermelha, bexiga, útero e gônadas. Entretanto, os simuladores utilizados possuem diferenças anatômicas significativas em diversos órgãos e tecidos em comparação a mulher e homem referência da publicação 89 da ICRP. Figura 3.7. Simulador do sexo feminino (FAX) na postura em pé (a) e sentado (b) irradiado por fótons monoenergético em geometria de irradiação antero-posterior. Adaptado de CAVALCANTE et al. [20]. 24

47 Fundamentação Teórica Figura 3.8. Simulador do sexo masculino (VOXTISS8) na postura em pé (a) e sentado (b) irradiado por fótons monoenergético em geometria de irradiação antero-posterior. Adaptada de GALEANO et al. [21]. ALVES et al. [22] realizaram o cálculo dos coeficientes de conversão para todas as geometrias idealizadas da ICRP utilizando prótons monoenergéticos e o simulador híbrido adulto feminino UFHADF na postura em pé e sentada. Os resultados foram comparados entre as duas posturas e foram observadas diferenças significativas nos CCs em órgãos presentes na região pélvica. 25

48 4 Material e Métodos 4.1 Simuladores antropomórficos de referência da publicação de nº110 da ICRP: Adult Male (AM) e Adult Female (AF) Os simuladores antropomórficos voxel de referência da publicação 110 da ICRP [18] representam indivíduos adultos do sexo masculino e feminino e são baseados em dados digitais de tomografia computadorizada de pessoas reais. Estes simuladores foram construídos modificando os modelos voxel [58], os quais foram construídos com base em dados de dois indivíduos cuja altura e massa são próximas ao homem e mulher de referência da publicação 89 da ICRP [49]. As massas de órgãos e tecidos de ambos os simuladores foram ajustadas com alta precisão com os dados do homem e mulher referência, sem alterar significativamente a anatomia. Ambos os simuladores foram aprovados para ICRP e ICRU como simuladores de referência para cálculo de coeficientes de conversão de dose. As principais características antropométricas destes simuladores, como massas e alturas, dimensões de matrizes e tamanho do voxels estão apresentados na Tabela 4.1. Na Fig. 4.1 são apresentadas as imagens do simulador masculino e feminino, respectivamente. Figura 4.1. Simulador voxel de referência masculino (à esquerda) e feminino (à direita). Imagens obtidas pelo software VolView versão 2.0 [59].

49 Material e Métodos Tabela 4.1. Características dos simuladores antropomórficos AM e AF de referência da ICRP 110 [18]. Características AM AF Altura (m) 1,76 1,63 Massa (kg) Espessura de corte (altura do voxel, mm) 8,0 4,84 Tamanho do voxel no plano (mm) 2,137 1,775 Volume (mm³) 36,54 15,25 Número de colunas Número de linhas Número de cortes Para realizar a mudança de postura dos simuladores foram feitas modificações nas imagens fatiadas (slices), ou seja, nas suas matrizes. Cada fatia do simulador AM foi quadruplicada, reduzindo, assim, a altura de cada voxel de 8,0 mm para 2,00 mm e, para o simulador AF, cada fatia foi triplicada, reduzindo a altura de cada voxel de 4,84 mm para 1, mm. Nos dois casos, as matrizes originais dos simuladores foram redimensionadas, de modo que as características fisiológicas e anatômicas fossem preservadas. 4.2 Modificações da postura dos simuladores AM e AF Para modificar a postura dos simuladores AM e AF, foi criado uma subrotina em linguagem Visual Basic no software Visual Monte Carlo (VMC) [8]. Nesta fase, ambos os simuladores, na postura em pé, foram carregados computacionalmente e divididos em três regiões: 1 região das pernas; 2 região das coxas; 3 região do tronco e cabeça. As regiões 1 e 3 foram afastadas entre si. A região 2 foi rotacionada do plano xy para o plano yz e posicionada entre as regiões 1 e 3, como mostra a Fig. 4.2a e 4.2b. Durante o processo de modificação da postura, as regiões do joelho e pélvica foram reconstruídas, pois alguns voxels foram perdidos e houveram sobreposição de alguns tecidos (por exemplo, o músculo), conforme ilustrado na Figura 1. 27

50 Material e Métodos Figura 4.2. Simulador (a) AM na postura em pé e na postura sentada, e (b) AF na postura em pé e na postura sentada, após o processo de rotação da região da coxa para a mudança de postura. Para realizar a reconstrução do joelho e da região pélvica, foram utilizados imagens de atlas de anatomia humana [60] e o software de processamento de imagens digitais Scion Image versão Alpha [61]. O Scion Image importa o simulador e permite uma visualização da imagem de cada fatia sequencialmente, facilitando assim, a sua modificação. A Figura 2 apresenta a interface de edição do software Scion Image. Durante todo o processo de reconstrução de algumas regiões dos simuladores, foi utilizado a versão livre do software VolView versão 2.0 [59], como uma ferramenta auxiliar de visualização tridimensional e de cortes sagitais, axiais e frontais. Após a mudança de postura, as matrizes dos simuladores apresentam as características apresentadas na tabela 4.2. Tabela 4.2. Características dos simuladores antropomórficos AM e AF na postura sentada. Características AM sentado AF sentado Altura (m) 1,76 1,63 Massa (kg) Espessura de corte (altura do voxel, mm) 2,0 1, Tamanho do voxel no plano (mm) 2,137 1,775 Volume (mm³) 9, Número de colunas Número de linhas Número de cortes

51 Material e Métodos Figura 4.3. Interface de visualização e edição do software Scion Image, versão Alpha [59]. 4.3 Simuladores antropomórficos adultos híbridos UFHADM e UFHADF Neste trabalho também foram utilizados os simuladores adultos híbridos masculinos (UFHADM) e feminino (UFHADF) na postura sentada, desenvolvido e modificado pelo National Cancer Institute e University of Florida por Lee et al. [14,17,22] (Fig. 4.4). Ambos os simuladores possuem voxels cúbicos de dimensões de (3,0 x 3,0 x 3,0) mm 3 e representam um homem adulto de 1,76 m de altura e 74,29 kg de massa corpórea, e uma mulher adulta de 1,63 m e 60,56 kg. A composição dos elementos que compõem cada órgão e tecido é a mesma dos simuladores de referência da publicação n 110 da ICRP [18]. 29

52 Material e Métodos Figura 4.4. Simuladores antropomórficos adultos (a) masculino UFHADM e (b) feminino UFHADF. 4.4 Código de transporte de radiação MCNPX O código MCNPX (Monte Carlo N-Particle extended) é um código de transporte de radiação baseado no método de Monte Carlo, e foi desenvolvido por Los Alamos National Laboratory (EUA) [62]. Atualmente é um dos códigos de transporte de radiação mais utilizados mundialmente, incluindo a publicação nº 74 e 116 da ICRP [19,63]. Este código é capaz de rastrear 34 tipos de partículas (núcleos e íons de luz) e mais de 2000 íons pesados (Z > 2) em uma gama muito ampla de energia. Utiliza o padrão de bibliotecas de dados avaliados para nêutrons, fótons, elétrons, prótons, e interações fotonuclear, e usa modelos físicos para outros tipos de partículas. Os dados da seção de choque tabulados estão disponíveis para todos os nuclídeos de MeV até 20 MeV para nêutrons, 1 kev até 1 GeV para os elétrons, e 1 kev até 100 GeV para fótons. A biblioteca da secção de choque LA150 [64] (Chadwick et al., 1999) fornece seções de choque fotonuclear para neutrões, prótons até 150 MeV (250 MeV para prótons) para 42 isótopos (incluindo H, C, N, e O), com base em dados experimentais e cálculos de modelos nucleares utilizando o código do modelo GNASH [65]. 4.5 Estrutura repetida e Cenários de irradiação Depois de modificadas as posturas dos simuladores voxels de referência e a obtenção dos simuladores híbridos, a próxima etapa foi incorporá-los no código de transporte de radiação MCNPX [62]. Tendo em vista a quantidade de voxels que os simuladores possuem, principalmente os na postura sentada, o simulador AF na postura sentada, por 30

53 Material e Métodos exemplo, possui voxels em sua matriz, escreve-los utilizando técnicas de redução de variância é de fundamental importância para reduzir o tempo computacional. Uma alternativa é escrever os simuladores em estrutura repetida, reduzindo o tempo computacional, o tamanho e a extensão do arquivo de entrada, visto que o código MCNP só permite escrever em até 80 colunas. A estrutura repetida permite descrever apenar uma única vez as células e superfícies de qualquer estrutura do simulador antropomórfico que aparecem mais de uma vez. Na Fig. 4.5, um conjunto de estrutura está representado em formato ASCII, a estrutura repetida da figura está escrita logo ao lado. A célula 0 aparecem 97 vezes antes de aparecer a célula 1, que por sua vez aparecem 4 vezes, então, em estrutura repetida é escrito na forma 0 96r 1 3r e assim por diante, onde o r indica repetições, e o número a frente dele o número de repetições. Em 3 linhas é possível escrever uma matriz 11x18 com 5 células. Figura 4.5. Representação de uma matriz 11x18 com 5 células escrita em estrutura repetida. Os todos os simuladores utilizados neste trabalho foram escritos em estrutura repetida no arquivo de entrada. Os cenários de exposição foram os mesmo idealizados pela publicação nº 116 da ICRP [19], em que foram utilizados feixes de fótons monoenergéticos, com energia variando de 0,01 MeV até 10 MeV para seis geometrias de irradiação: antero-posterior (AP), posteroanterior (PA), lateral-esquerdo (LLAT) lateral-direito (RLAT), rotacional (ROT) e isotrópica (ISO), como ilustrado na Fig

54 Material e Métodos Figura 4.6. Representação das fontes monoenergéticas nas geometrias de irradiação antero-posterior (AP), póstero-anterior (PA), lateral esquerdo (LLAT), lateral direito (RLAT), rotacional (ROT) e isotropico (ISO). As fontes planas possuem tamanhos igual ao tamanho caixa dos simuladores, esses valores estão na Tabela 4.3. Tabela 4.3. Tamanho das fontes em nas geometrias de irradiação AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO para cada simulador. Geometria Tamanho da fonte em cm 2 AM AF AM sentado AF sentado UFHADM UFHADF AP 54,28x177,6 53,072x168,76 55,56x139,2 55,03x133,75 54x135,3 49,2x129,9 PA 54,28x177,6 53,072x168,76 55,56x139,2 55,03x133,75 54x135,3 49,2x129,9 LLAT 27,14x177,6 24,318x168,76 79,07x139,2 65,68x133,75 79,2x135,3 71,1x 129,9 RLAT 27,14x177,6 24,318x168,76 79,07x139,2 65,68x133,75 79,2x135,3 71,1x 129,9 ROT πx5,54 2 x177,6 πx5,43 2 x168,76 πx6,98 2 x139,2 πx6,58 2 x133,75 πx6,98 2 x135,3 πx6,58 2 x129,9 ISO πx100 2 πx100 2 πx100 2 πx100 2 πx100 2 πx

55 Material e Métodos 4.6 Estimativa dos coeficientes de conversão de dose (CCs) Com o objetivo de avaliar as possíveis diferenças entre a energia depositada nos simuladores nas posturas em pé e sentada e entre os dois tipos de simuladores, voxel e híbridos, foram estimados os coeficientes de conversão (CCs) de dose equivalente e efetiva normalizados pela fluência da fonte. Em todas as simulações foi utilizado o tally *f8 do MCNPX, utilizado para estimar a deposição energética média (em MeV) em uma determinada célula, ou seja, órgão e tecido. Esses valores foram convertidos para J e dividido pela massa em kg do órgão ou tecido, desta forma, tem-se a dose média em J/kg (Gy) em cada órgão ou tecido. O tally *f8 foi escolhido pois não utiliza aproximação kerma. Com o intuito de reduzir as incertezas estatísticas associadas à energia absorvida nos órgãos e tecidos, a valores abaixo de 5%, foram utilizadas em cada cenário 1,0 x 10 8 histórias de partículas. Todas as simulações foram feitas em um computador de 16 GB de memória RAM com processador Intel Core i7 primeira geração de 2.8 GHz e sistema operacional Windows 7 de 64 bits. O tempo computacional depende da energia utilizada, da geometria de irradiação e do simulador, mas variaram entre 67 min a 2910 min. Primeiramente foi realizado a comparação dos CCs de dose equivalente e efetiva dos entre os simuladores voxel na postura em pé e sentada. Posteriormente, foi realizado a comparação dos CCs de dose efetiva dos simuladores híbridos na postura sentada com os simuladores voxel na postura sentada. A diferença percentual (%) entre os CCs utilizando a Eq. 27. (%) = (CCs up CCs sit ) CCs up x100 (27) As doses absorvidas nos principais órgãos radiossensíveis dos simuladores foram determinadas considerando a energia depositada na região de interesse por todas as partículas primárias e secundárias. Como o fator de ponderação, w R, para fótons é igual a 1, a dose absorvida é numericamente igual à dose equivalente. Posteriormente, a dose equivalente calculada foi multiplicada pela área irradiada, para expressar os resultados na forma de psv cm². Os fatores de ponderação de cada órgão, w T, recomendados pela publicação n 103 da ICRP [1] foram então aplicados aos CCs de dose equivalente de cada órgão para determinar os CCs para dose efetiva. A média das doses equivalentes foi então 33

56 Material e Métodos multiplicada pelo fator de ponderação do tecido correspondente, obtendo, assim, o CCs de dose efetiva, como mostrado na Eq. 28, conforme estabelecido pela publicação n 103 da ICRP [1]. CC(E) = w T [ CC(H T) T,Masculino +CC(H T ) T,Feminino ] (28) 2 Neste caso, a soma inclui as doses nas gônadas (testículos do AM e ovários da AF). 4.7 Comando mesh tally na obtenção de mapa de fluência A fim de se obter uma ferramenta visual para observar a influência da blindagem causada pelas pernas sobre os principais órgãos sensíveis localizados na região pélvica dos simuladores na postura sentado, foi utilizado o comando mesh tally de código MCNP5. Neste comando, uma malha de voxels cúbicos foi sobreposta sobre a célula unitária de cada simulador. Deste modo, uma contagem de fluência de fótons é realizada para cada voxel da malha. Para uma avaliação mais precisa, nós escolhemos o tamanho e a localização da grade de malha coincidindo exatamente com os da unidade celular das estruturas dos simuladores em pé e sentado, isto é, cada voxel da malha correspondem a um voxel da célula unitária da estrutura do simulador. O MCNP5 retorna uma tabela que é lida no software Moritz e visualizado o mapa de fluência de fótons no simulador. Neste procedimento o tempo computacional é bastante longo, chegando a min (pouco mais de 15 dias). Para reduzir este tempo computacional, pode-se utilizar técnicas de redução de variância, como por exemplo, adotar o voxel da malha com tamanhos maiores que o tamanho do voxel do simulador, mas nesse caso uma avaliação mais precisa do problema pode ser comprometida. Outra possibilidade é posicionar as malhas somente nos órgãos de interesse. 34

57 5 Resultados e discussões 5.1 Modificação da postura dos simuladores de referência Nos simuladores AM e AF as regiões pélvicas e dos joelhos foram anatomicamente preservadas durante o processo de modificação da postura. Todos os órgãos e tecidos do simulador AM na postura sentada possuem massas iguais ao simulador de referência na postura em pé. Após a mudança de postura, o simulador AF na postura sentada possui massa de 8.2 g a menos de pele (0.30%) e 64.1 g (0.27%) a mais de gordura, comparado com o mesmo simulador AF de referência na postura em pé. As massas dos demais órgãos do simulador AF na postura sentada são iguais aos do simulador na postura em pé. A Fig. 5.1 e 5.2 apresentam cortes frontal, sagital e axial da região da coxa de ambos os simuladores na postura sentada, bem como imagens volumétricas dos mesmos. Figura 5.1. Simulador AM na postura sentada em (a) corte frontal evidenciando o tronco, (b) corte frontal da perna, (c) corte sagital da coxa direita. (d) corte axial evidenciando da região pélvica ao joelho, (e) e (f) imagens volumétricas.

58 Figura 5.2. Simulador AF na postura sentada em (a) corte frontal evidenciando o tronco, (b) corte frontal da perna, (c) corte sagital da coxa direita. (d) corte axial evidenciando da região pélvica ao joelho, (e) e (f) imagens volumétricas. Tabela 5.1. Massa dos órgãos dos simuladores AM e AF nas posturas em pé e sentada. Órgão Massa (g) AM [18] AM sentado AF [18] AF sentado Adrenais 14,00 14,00 13,00 13,00 Passagem nasal 39,44 39,44 18,61 18,61 Mucosa oral 35,83 35,83 22,45 22,45 Traqueia 10,01 10,01 7,99 7,99 Bronquíolos 66,30 66,30 8,69 8,69 Sangue 881,45 881,45 754,52 754,52 Seios, tecido glandular 9,99 9,99 199,99 199,99 Seios, tecido adiposo 14,99 14,99 300,02 300,02 Lente dos olhos 0,38 0,38 0,40 0,40 Bolbo dos olhos 14,62 14,62 14,60 14,60 Vesícula biliar 13,92 13,92 10,24 10,24 Estomago 149,97 149,97 140,00 140,00 Intestino delgado 649,91 649,91 602,05 602,05 Cólon 369,92 369,92 355,69 355,69 Conteúdo do sistema GI 954,52 954,52 875,78 875,78 Coração 329,94 329,94 250,00 250,00 Rins 309,99 309,99 282,33 282,33 36

59 Fígado 1799, , , ,00 Pulmão (sangue) 150,53 150,53 101,49 101,49 Pulmão (tecido) 1050, ,09 849,05 849,05 Nódulos linfáticos 137,95 137,95 79,25 79,25 Músculos 28996, , , ,22 Esôfago 40,00 40,00 34,99 34,99 Pâncreas 139,98 139,98 120,01 120,01 Glândula pituitária 0,60 0,60 0,60 0,60 Cérebro 1449, , , ,00 Dentes 50,03 50,03 40,01 40,01 Tonsila 3,01 3,01 3,00 3,00 Tecido residual 20455, , , ,45 Glândula salivar 84,97 84,97 70,00 70,00 Pele 3882, , , ,69 Medula espinal 36,61 36,61 18,63 18,63 Baço 149,97 149,97 130,00 130,00 Timos 24,99 24,99 19,99 19,99 Tiroide 19,99 19,99 17,00 17,00 Língua 42,27 42,27 41,55 41,55 Útero 15,99 15,99 14,95 14,95 Bexiga urinária 50,00 50,00 40,00 40,00 Uretra ,01 80,01 Próstata 17,01 17, Gônadas* 34,99 34,99 11,01 11,01 Conteúdo da Bixiga 199,97 199,97 200,00 200,00 Ar dentro do corpo 0,20 0,20 0,05 0,05 Esqueleto 10302, , , ,73 Cartilagem 145,24 145,24 428,41 422,60 Massa (g) 73146, , , ,65 Altura (cm) , ,745 *As gônadas são compreendidas pelos testículos no simulador masculino (AM) e ovário no simulador feminino (AF). Na comparação dos CCs para dose equivalente entre as duas posturas, os órgãos situados na região pélvica (colón, próstata, testículos, ovário, útero e bexiga urinária) e órgãos e tecidos que possuem distribuição em todo o corpo (esqueleto, nódulos linfáticos, músculo e pele) apresentaram diferenças percentuais significativas, ou seja, maiores que 5%. As subseções seguintes discutem essas diferenças. 37

60 5.2 Diferenças nos CCs dos órgãos situados na região pélvica. A razão dos CCs entre a postura sentada e em pé apresentam diferenças em órgão situados na região pélvica. Para o cólon, Fig. 5.3(a) e 5.4(a), as diferenças foram significativas somente nas geometrias de irradiação AP, ROT e ISO. Com diferenças de até 83% no simulador AM e 43% no simulador AF. Para a próstata, gônadas (testículos e ovário) e bexiga urinária, foram observadas diferenças significativas em todas as geometrias de irradiação (Fig. 5.3 e 5.4). Nas geometrias de irradiação laterais houveram diferenças significativas somente em baixas energias, sendo mais evidenciado na bexiga urinária (Fig. 5.3(b) e 5.4(b)). Nos simuladores AM e AF na postura sentada, a região do quadril é mais espessa de músculos e gordura se comparado à postura em pé, ocasionando uma blindagem adicional na bexiga urinária, gônadas, próstata e útero para fótons de baixa energia. Além disso, ocorre uma blindagem adicional pela estrutura óssea dos simuladores na postura sentada, como observado na Figura 5.5. Em energias acima de 0,03 MeV, aproximadamente, a fluência de fótons aumenta, pois, os fótons possuem energia suficiente para superar a blindagem, o que leva a razão para valores próximo a 1. No intervalo de energia de 0,06 MeV até 0,2 MeV para a bexiga urinária (Fig. 5.3(b) e 5.4(b)), 0,03 MeV para a próstata (Fig. 5.3(c)) e 0,02 MeV até 0,03 MeV para o ovário e testículos (Fig. 5.3(d) e 5.4(c)) a razão foi maior que 1, significando coeficientes de conversão maior para os simuladores AM e AF na postura sentada. A Fig. 5.6 apresenta o mapa de fluência do simulador AM na postura sentada com fonte de fótons monoenergéticos de 0,05 MeV e 0,08 MeV, em que é possível observar o aumento da fluência de fótons na região pélvica. Acima de 0,3 MeV a razão volta a ser próximo a 1, o que significa deposição energética similar em ambas as posturas. Nos testículos em geometria de irradiação AP, foi observado razão acima de 1 para energias acima de 5 MeV, significando coeficientes de conversão de dose equivalente maior no simulador na postura sentada (Fig. 5.3(d)). Essa diferença ocorre devido a duas hipóteses: a probabilidade do fótons ser absorvido cai exponencialmente com o aumento da energia do fóton incidente, assim, quando o fóton tem alta energia ele tende a atravessar o material, neste caso o simulador, sem que haja interação; fótons de alta energia perdem energia na 38

61 região da coxa do simulador na postura sentada, aumentando a fluência neste órgão devido a atenuação e espalhamento dos fótons e elétrons secundários, consequentemente, uma maior deposição energética nos testículos do simulador na postura sentada. A Figura 5.7 mostra a redução da fluência nos testículos do simulador AM na postura em pé com o aumento da energia, e a Figura 5.8 mostra o mapa de fluência de fótons do simulador AM na postura em pé e sentada em geometria de irradiação AP e fonte com energia incidente de 3 MeV e 10 MeV, o que sustenta as duas hipóteses propostas. Também a essas duas hipóteses são atribuídas as razões acima de 1 para geometrias laterais na bexiga urinária, gônadas e próstata. Para a geometria de irradiação AP, as diferenças no CCs de dose equivalente foram de até 100% nos simuladores AM e AF para a próstata e ovário, respectivamente. Para a ROT, as diferenças foram de até 84% e 95%, nos simuladores AM e AF, respectivamente. E na geometria de irradiação ISO as diferenças foram de até 91% e 94% nos simuladores AM e AF, respectivamente. As diferenças encontradas nas geometrias AP, ROT e ISO ocorreram devido a blindagem oferecidas pelas coxas dos simuladores na postura sentada aos órgãos presentes na região pélvica. A Fig. 5.8 mostra o decréscimo da fluência de fótons a medida que a profundidade da coxa do simulador na postura sentada aumenta. 39

62 Razão dos Coeficientes de conversão Razão dos Coeficientes de conversão AP 0.4 PA LLAT 0.2 RLAT ROT ISO Energia (MeV) (a) (c) 0.6 AP 0.4 PA LLAT 0.2 RLAT ROT ISO Energia (MeV) Razão dos Coeficientes de conversão Razão dos Coeficientes de conversão AP 0.4 PA LLAT 0.2 RLAT ROT 0.0 ISO Energia (MeV) (d) (b) 0.6 AP PA 0.4 LLAT RLAT 0.2 ROT ISO Energia (MeV) Figura 5.3. Razão dos coeficientes de conversão de dose equivalente entre as duas posturas do simulador AM em todas as geometrias de irradiação para (a) cólon, (b) bexiga urinária, (c) próstata, e (d) testículos. Galeano et al. (2014) e Cavalcante et al (2014) também observaram mudanças significativas quando compararam simuladores na postura sentada com o mesmo simulador na postura em pé. Entretanto, as diferenças encontradas nos órgãos na região pélvica foram mais proeminentes nesse estudo. Isso se deve a diferença no código de transporte de radiação utilizado e nos simuladores utilizados. O código VMC utilizado por Galeano e Cavalcante não considera o transporte de partículas fótons e elétrons secundários. 40

63 Razão dos Coeficientes de conversão Razão dos Coeficientes de conversão (a) AP PA LLAT RLAT ROT ISO Energia (MeV) (c) AP PA LLAT RLAT ROT ISO Energia (MeV) Razão dos Coeficientes de conversão Razão dos Coeficientes de conversão (b) AP PA LLAT RLAT ROT ISO Energia (MeV) (d) AP PA LLAT RLAT ROT ISO Energia (MeV) Figura 5.4. Razão dos coeficientes de conversão de dose equivalente entre as duas posturas do simulador AF em todas as geometrias de irradiação para (a) cólon, (b) bexiga urinária, (c) ovário e (d) útero. 41

64 Figura 5.5. Corte transversal da região pélvica do simulador (a) AM em pé (à esquerda) e sentado (à direita), e do simulador (b) AF em pé (à esquerda) e sentado (à direita). Em evidencia a bexiga urinária. 42

65 Fluência de fótons (cm -2 ) Figura 5.6. Mapa de fluência de fótons (cm-2) para o simulador AM na postura sentada em geometria de irradiação LLAT e feixe de fótons monoenergéticos de (a) 0,05 MeV e (b) 0,08 MeV. Imgens em cortes sagital e transversal e colocam em evidencia uma região onde contem a bexiga urinária Energia (MeV) Figura 5.7. Fluência de fótons nos testículos com feixe de fótons monoenergético e geometria de irradiação AP. 43

66 Figura 5.8. Mapa de fluência de fótons (cm-2) para o simulador AM na postura sentada em geometria de irradiação AP e feixe de fótons monoenergéticos de (a) 3 MeV e (b) 10 MeV. Imagens em cortes sagital e transversal e colocam em uma região onde contém os testículos. 5.3 Diferenças nos CCs dos endósteo, medula óssea vermelha, músculo, nódulos linfáticos e pele. As diferenças entre as posturas sentada e em pé em órgãos com distribuição no corpo todo, que é o caso dos endósteo, medula óssea vermelha (RBM, do inglês Red Bone Marrow), músculo, nódulos linfáticos e pele, é mais evidente nas geometrias de irradiação AP, PA e ROT, para praticamente todo intervalo energético. Para o endósteo a diferença chega até 16% na geometria de irradiação AP, 18% em PA e 10% em geometria ROT no simulador AM (Fig. 5.9(a)). Já no simulador AF as diferenças são de 94%, 17% e 87% nas geometrias de irradiação AP, PA e ROT, respectivamente (Fig. 5.10(a)). Na medula óssea vermelha e simulador AM, a diferença foi de 100% e 7% nas geometrias de irradiação AP e ROT, respectivamente (Fig. 5.9(b)). Já no 44

67 simulador AF as diferenças foram de até 38% e 16% nas geometrias AP e ROT, respectivamente (Fig. 5.10(b)). Nos nódulos linfáticos, foram observadas diferenças significativas de até 63%, 73%, 71% e 47% no simulador AM nas geometrias de irradiação AP, PA, ROT e ISO, respectivamente (Fig. 5.11(b)). Já no simulador AF, foram observadas diferenças de até 67 %, 97 %, 85 % e 49 % nas geometrias de irradiação AP, PA, ROT e ISSO, respectivamente (Fig. 5.12(b)). Foram observadas pequenas diferenças em baixas energias (até 30 kev) nas geometrias de irradiação LLAT, como observado na Fig. 5.11(b) e 5.129b). Essa diferença ocorre pelo mesmo motivo das diferenças encontradas nas geometrias laterais nos órgãos da região pélvica. Os nódulos linfáticos também estão presentes na região pélvica, e com o ligeiro aumento da espessura nessa região e a posição de parte da estrutura óssea do fêmur, ocorre a blindagem de porção deste órgão quando as energias de irradiação são baixas (abaixo de 0,05 MeV). Nos demais órgãos em geometrias de irradiação laterais, onde a área irradiada é a mesma para os simuladores em ambas as posturas, não ocorrem diferenças significativas (maiores que 5%). Como esses são órgãos distribuídos por todo o corpo, as diferenças no CCs ocorrem por dois motivos: quando a fonte de irradiação está na projeção AP e PA, as coxas dos simuladores na postura sentada estão paralelas aos feixes de fótons incidentes, diminuindo a área irradiada, e consequentemente diminuindo, a energia depositada nesta região; a segunda razão é devido a espessura destes órgãos serem maiores na região da coxa na postura sentada em comparação com a postura em pé, quando as geometrias de irradiação também são AP e PA, ocorrendo um efeito de auto blindagem. Observou-se que nos músculos (Fig. 5.11(a) e 5.12(a)) houveram uma queda proeminente na razão dos CCs até valores de 0,03 MeV e 0,05 MeV, nas projeções AP e PA, respectivamente. O mesmo ocorre na medula óssea vermelha (Fig. 5.9(b) e 5.10(b)), entretanto a menor razão ocorre em 0,8 MeV e 0,5 MeV, nas projeções AP e PA, no simulador AM, respectivamente, e em 0,03 MeV em geometria AP no simulador AF. Após esse limiar de menor razão, esse valor volta a crescer até valores próximo de 1 à medida que a energia aumenta. Esta variação acontece devido ao efeito de auto blindagem, já mencionado anteriormente. Em menores energias, o fóton não tem energia suficiente para penetrar mais profundamente nesses órgãos, ocasionando uma diferença percentual menor 45

68 Razão coeficientes de conversão Razão coeficientes de conversão entre as duas posturas. À medida que a energia aumenta, a radiação já é suficiente para penetrar e levar a uma maior diferença de deposição energética entre as duas posturas, devido a menor área irradiada na coxa dos simuladores na postura sentada (b) AP PA LLAT RLAT ROT ISO Energia (MeV) (a) AP PA LLAT RLAT ROT ISO Energia (MeV) Figura 5.9. Razão dos coeficientes de conversão de dose equivalente entre as duas posturas do simulador AM em todas as geometrias de irradiação para (a) endósteo e (b) RBM. Galeano et al. [21] e Cavaltante at al. [20] também encontraram diferenças nos CCs de dose equivalente em órgãos com distribuição no corpo todo. As diferenças ocorreram principalmente nas geometrias de irradiação AP e PA. Todos os estudos concordam que as diferenças encontradas entre as duas posturas ocorrem pela diferença geométrica das coxas dos simuladores e pelo auto blindagem dos órgãos presente na coxa nos simuladores na postura sentada, quando as geometrias de irradiação são AP e AP, como pode ser observado na Fig. 5.8 pelo mapa da fluência de fótons. 46

69 Razão coeficientes de conversão Razão coeficientes de conversão AP PA LLAT RLAT ROT ISO Energia (MeV) AP PA LLAT RLAT ROT ISO Energia (MeV) Figura Razão dos coeficientes de conversão de dose equivalente entre as duas posturas do simulador AF em todas as geometrias de irradiação para (a) endósteo e (b) RBM. 47

70 Razão coeficientes de conversão Energia (MeV) Razão coeficientes de conversão (a) AP PA LLAT RLAT ROT ISO Razão coeficientes de conversão Energia (MeV) Energia (MeV) (c) AP PA LLAT RLAT ROT ISO (b) AP PA LLAT RLAT ROT ISO Figura Razão dos coeficientes de conversão de dose equivalente entre as duas posturas do simulador AM em todas as geometrias de irradiação para (a) músculo, (b) nódulos linfáticos, e (d) pele. 48

71 Razão coeficiente de conversão Razão coeficiente de conversão Razão coeficiente de conversão (a) (b) Energia (MeV) AP PA LLAT RLAT ROT ISO AP PA LLAT RLAT ROT ISO Energia (MeV) (c) AP PA LLAT RLAT ROT ISO Energia (MeV) Figura Razão dos coeficientes de conversão de dose equivalente entre as duas posturas do simulador AF em todas as geometrias de irradiação para (a) músculo, (b) nódulos linfáticos e (c) pele. Os coeficientes de conversão de dose efetiva dos simuladores AM e AF na postura sentadas obtidos neste estudo estão tabulados no Anexo A desta tese. 5.4 Diferenças nos CCs de dose efetiva. As razões entre os CCs de dose efetiva da postura sentada pela postura em pé apresentaram diferenças significativas principalmente nas geometrias de irradiações AP, PA e ROT como observado na Fig Tais divergências ocorre devido a diferença na deposição energética do fóton entre as duas posturas do simulador, ocasionando em valores de CCs menores em órgão que possuem uma forte contribuição para o cálculo da dose efetiva, por possuírem alto fator de peso, w T, como as gônadas, cólon, bexiga urinária, pele e medula óssea vermelha. Para a geometria de irradiação AP, a diferença é de 10% a 0,015 MeV, aumenta até 17% em 0,04 MeV e reduz até 6% a 8 MeV. Para a geometria de irradiação PA, a diferença percentual é de 18 % a 0,015 MeV, e diminui a 6 % em 0.02 MeV. 49

72 Razão coeficiente de conversão Para a geometria de irradiação ROT, a diferença percentual foi de até 8 %. A medida que a energia aumenta a razão entre os CCs tende a 1, significando uma semelhança na deposição energética entre as duas posturas. A Tabela 2 fornece os valores de CCs de dose efetiva para os simuladores na postura sentada AP PA LLAT RLAT ROT ISO Energia (MeV) Figura Razão dos coeficientes de conversão de dose efetiva entre as posturas sentada e em pé. 50

73 Tabela 5.2. Coeficiente de conversão de dose efetiva (pgy cm 2 ) normalizado por fluência dos simuladores voxels AM e AF na postura sentada para feixe de fótons monoenergéticos e geometria de irradiação AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO. Energia Coeficiente de conversão de dose efetiva (pgy cm 2 ) (MeV) AP PA LLAT RLAT ROT ISO 0,010 0,063 0,013 0,019 0,018 0,033 0,028 0,015 0,139 0,013 0,042 0,039 0,069 0,053 0,020 0,195 0,025 0,065 0,057 0,094 0,075 0,030 0,267 0,090 0,108 0,088 0,139 0,118 0,040 0,295 0,154 0,138 0,114 0,173 0,148 0,050 0,310 0,198 0,159 0,133 0,196 0,170 0,060 0,327 0,231 0,177 0,151 0,217 0,189 0,070 0,349 0,259 0,195 0,168 0,238 0,209 0,080 0,376 0,288 0,215 0,187 0,262 0,230 0,100 0,442 0,348 0,260 0,229 0,315 0,277 0,150 0,643 0,520 0,398 0,354 0,472 0,418 0,200 0,861 0,713 0,555 0,498 0,649 0,574 0,300 1,305 1,117 0,893 0,808 1,018 0,910 0,400 1,735 1,524 1,241 1,132 1,391 1,254 0,500 2,147 1,923 1,588 1,459 1,758 1,593 0,511 2,191 1,966 1,626 1,495 1,798 1,629 0,600 2,539 2,308 1,929 1,782 2,114 1,924 0,662 2,774 2,542 2,136 1,983 2,331 2,131 0,800 3,279 3,050 2,590 2,415 2,799 2,572 1,000 3,960 3,741 3,223 3,022 3,444 3,182 1,117 4,327 4,120 3,575 3,366 3,800 3,529 1,330 4,970 4,781 4,190 3,965 4,420 4,133 1,500 5,442 5,279 4,655 4,419 4,885 4,593 2,000 6,725 6,638 5,928 5,678 6,157 5,835 3,000 8,858 8,990 8,177 7,864 8,344 7,999 4,000 10,714 11,088 10,137 9,812 10,262 9,949 5,000 12,360 13,031 11,948 11,607 12,015 11,715 6,000 13,897 14,873 13,660 13,320 13,671 13,399 6,129 14,097 15,111 13,872 13,528 13,879 13,589 8,000 16,775 18,452 16,899 16,532 16,802 16,577 10,000 19,430 21,929 19,993 19,628 19,802 19,658 51

74 Razão coeficiente de conversão 5.5 Comparação simuladores híbridos UFHADM e UFHADF com AM e AF Na comparação dos coeficientes de conversão de dose efetiva dos simuladores híbridos masculino UFHADM e feminino UFHADF com os simuladores voxels AM e AF na postura sentada. Foi observado diferenças significativas em todas as geometrias de irradiação, como apresentado na Fig AP PA LLAT RLAT ROT ISO Energia (MeV) Figura Razão dos coeficientes de conversão de dose efetiva entre os simuladores híbridos UFHADM e UFHADF em comparação com os simuladores AM e AF Para a geometria de irradiação AP, foram observadas diferenças significativas (acima de 5 %) até 0,050 MeV, sendo maior para os CCs dos simuladores AM e AF, e entre as energias de 0,060 MeV e 0,511 MeV às diferenças foram pequenas, mas acima de 0,600 MeV os CCs de dose efetiva dos simuladores híbridos foram maiores. Essas diferenças ocorrem por dois motivos: a diferença anatômica entre os dois tipos de simuladores e a posição dos braços e pernas de ambos os simuladores. Os simuladores híbridos possuem uma estrutura anatômica diferente dos simuladores voxel AM e AF principalmente na forma e localização dos órgãos, há também diferença de massa em alguns órgãos, como 52

75 apresentado na Tabela 5.3. Além disso, as pernas dos simuladores híbridos estão abertas, reduzindo a blindagem dos órgãos radiosensíveis e com alto fator de ponderação (w R ), e que se encontram na região do quadril destes simuladores, como a bexiga urinária, gônadas, região inferior do cólon (reto e sigmóide), próstata e útero (Fig.XX). Os simuladores AM e AF estão com as pernas fechadas, aumentando a blindagem principalmente para fótons de baixa energia que incidem em órgãos presentes na região do quadril (Fig XX). Figura Visão superior simuladores (a) UFHADF e (b) AF, ambos na postura sentada, evidenciando a diferença da disposição da coxas dos dosi simuladores. Tabela 5.3. Massa (g) e diferença percentual dos órgãos que compõem os simuladores híbridos UFHADM e UFHADF em comparação com os simuladores AM e AF. Massa (g) Massa (g) Órgão AM sentado UFHADM Δ(%) AF sentada UFHADF Δ(%) Mucosa oral 35,83 1, % 22,45 3,08-628% Traqueia 10,01 9,59-4% 7,99 8,32 4% Bronquíolos 66,30 16,50-302% 8,69 9,13 5% Sangue 1031,98 504,31-105% 856,01 366,34-134% Seis 24,98 25,40 2% 500,01 506,52 1% Lente dos olhos 0,38 0,46 17% 0,40 0,46 13% Olhos (bulbo) 14,62 15,18 4% 14,60 14,49-1% Vesícula biliar 13,92 10,32-35% 10,24 8,20-25% Estomago 149,97 147,56-2% 140,00 137,85-2% Intestino delgado 649,91 629,31-3% 602,05 578,34-4% Cólon 369,92 366,90-1% 355,69 357,25 0% Conteúdo do sistema GI 954,52 883,48-8% 875,78 693,98-26% Coração 329,94 330,16 0% 250,00 249,28 0% 53

76 Rins 309,99 305,73-1% 282,33 286,67 2% Fígado 1799, ,40-1% 1400, ,16-1% Pulmão 1050, ,18 4% 849,05 899,87 6% Nódulos linfáticos 137,95 * - 79, Músculo 28996, ,46 28% 17491, ,66 35% Esôfago 40,00 39,77-1% 34,99 35,26 1% Gônadas 34,99 33,48-5% 11,01 10,61-4% Pâncreas 139,98 139,16-1% 120,01 120,86 1% Glândula pituitária 0,60 0,56-8% 0,60 0,64 7% Cérebro 1449, ,30-1% 1300, ,81 0% Dentes 50,03 * - 40,01 * - Tonsila 3,01 2,86-5% 3,00 3,08 3% Próstata/Útero 17,01 16,91-1% 80,01 77,73-3% Tecido residual 20455, ,48-78% 23538, ,01-55% Glândula salivaria 84,97 83,04-2% 70,00 70,61 1% Pele 3882, ,00 16% 2752, ,50 30% Medula espinal 36,61 71,88 49% 18,63 45,12 59% Baço 149,97 148,25-1% 130,00 129,93 0% Timos 24,99 24,81-1% 19,99 20,02 0% Tireoide 19,99 19,45-3% 17,00 17,97 5% Língua 42,27 72,04 41% 41,55 60,02 31% Ureter 15,99 * - 14,95 * - Bexiga urinária 50,00 47,85-5% 40,00 39,54-1% Ar dentro do corpo 0,20 0,11-82% 0,05 0,07 31% Conteúdo da bexiga 199,97 199,23 0% 200,00 159,91-25% 0,02 MeV. Na geometria de irradiação PA os CCs são maiores nos simuladores híbridos até Nas geometrias de irradiação laterais (LLAT e RLAT) as diferenças ocorrem somente até energia de 0,040 MeV em LLAT e 0,02 MeV em RLAT, conforme Fig Os braços dos simuladores híbridos estão apoiados sobre as coxas, enquanto que nos simuladores AM e AF estão estendidos lateralmente ao corpo, essa diferença anatômica ocasiona uma blindagem adicional, sobretudo, para fótons de baixa energia que atingem os órgãos localizados na região do tórax e abdômen destes simuladores quando. Acima de MeV a razão dos CCs são próximo a 1, indicando uma deposição energética semelhante em todos os simuladores. Nas geometrias de irradiação ROT, os CCs são maiores nos simuladores AM e AF, sendo 39% em 0,015 MeV até 11% em 0,03 MeV. No entanto, quando a energia dos fótons 54

77 incidentes é acima de 2,0 MeV os CCs são maiores para os simuladores híbridos, chegando até 8%. Essas diferenças podem ser atribuídas às diferenças anatômicas e da posição dos braços e pernas dos dois tipos de simuladores. Na geometria de irradiação ISO, às diferenças ocorrem somente até energias 0,030 MeV, devido principalmente à posição da coxa dos simuladores AM e AF, que atenuam fótons de baixa energia, e consequentemente deposita menos energia nos órgãos presentes na região pélvica desses simuladores. 55

78 A Tabela 5.4 apresenta os valores dos CCs de dose efetiva dos simuladores híbridos obtidos neste estudo. Os CCs de dose equivalente estão tabulados no Anexo B desta tese. Tabela 5.4. Coeficientes de conversão de dose efetiva normalizado por fluência (pgy cm 2 ) dos simuladores híbridos UFHADM e UFHADF na postura sentada para feixe de fótons monoenergéticos e geometria de irradiação AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO. Energia Coeficientes de conversão de dose efetiva (pgy cm 2 ) MeV AP PA LLAT RLAT ROT ISO 0,010 0,029 0,012 0,012 0,011 0,016 0,015 0,015 0,098 0,018 0,027 0,027 0,042 0,038 0,020 0,151 0,032 0,049 0,048 0,070 0,062 0,030 0,227 0,088 0,093 0,088 0,124 0,105 0,040 0,271 0,153 0,130 0,122 0,169 0,141 0,050 0,297 0,199 0,158 0,148 0,200 0,167 0,060 0,321 0,234 0,181 0,169 0,225 0,189 0,070 0,347 0,264 0,203 0,190 0,250 0,210 0,080 0,378 0,294 0,225 0,211 0,276 0,233 0,100 0,447 0,357 0,274 0,257 0,332 0,282 0,150 0,656 0,535 0,417 0,394 0,498 0,423 0,200 0,885 0,732 0,578 0,548 0,682 0,581 0,300 1,354 1,151 0,924 0,879 1,070 0,918 0,400 1,816 1,572 1,281 1,222 1,462 1,265 0,500 2,263 1,987 1,636 1,565 1,848 1,609 0,511 2,310 2,032 1,674 1,603 1,890 1,647 0,600 2,693 2,392 1,986 1,904 2,225 1,947 0,662 2,948 2,638 2,200 2,110 2,453 2,156 0,800 3,496 3,167 2,666 2,561 2,946 2,608 1,000 4,243 3,894 3,312 3,190 3,626 3,239 1,117 4,650 4,299 3,679 3,551 4,007 3,590 1,330 5,356 5,002 4,315 4,174 4,667 4,195 1,500 5,884 5,536 4,801 4,647 5,166 4,668 2,000 7,299 6,977 6,138 5,964 6,528 5,957 3,000 9,701 9,481 8,476 8,275 8,889 8,238 4,000 11,708 11,711 10,543 10,322 10,952 10,263 5,000 13,536 13,774 12,462 12,200 12,851 12,100 6,000 15,233 15,729 14,245 13,997 14,638 13,867 6,129 15,443 15,971 14,490 14,226 14,867 14,072 8,000 18,441 19,508 17,686 17,387 18,052 17,212 10,000 21,497 23,181 21,009 20,664 21,346 20,452 56

79 6 Conclusões Foi possível modificar a postura dos simuladores antropomórficos computacionais de referência, Adult Male (AM) e Adult Female (AF), anatomicamente coerente com a publicação de nº 89 da ICRP [18], utilizando softwares livres. Dentre todos os órgãos radiossensíveis presentes nos simuladores masculino AM e feminino AF na postura em pé, 10 deles apresentaram diferenças significativas nos CCs quando comparados com os mesmos simuladores na postura sentada, foram encontradas diferenças de até 100 % entre os CCs de dose equivalente para os órgãos radiossensíveis como próstata, útero, ovário e bexiga urinária. Os CCs de doses equivalentes para as gônadas do homem e da mulher variaram de 99 % e 100 %, respectivamente. Isto significa uma menor dose de radiação nestes órgãos quando o indivíduo está na postura sentada. As diferenças encontradas no CCs de dose equivalente significaram uma diferença de 14 % nos CCs de dose efetiva para o indivíduo sentado exposto sob as mesmas condições em geometria de radiação AP. As comparações dos coeficientes de conversão de dose entre as duas posturas dos simuladores de referência AM e AF apresentam diferenças significativas em órgãos situados na região pélvica e em órgãos com distribuição em todo o corpo, demonstrando a importância da utilização do simulador em diferentes posturas a fim de obter resultados mais precisos dependendo do cenário de irradiação escolhido. As diferenças encontradas em órgão na região pélvica ocorrerem principalmente a blindagem dos órgãos presentes nessa região pela coxa dos simuladores na postura sentada. Já, as diferenças encontradas em órgãos com distribuição em todo o corpo ocorreram principalmente devido a alto blindagem os órgãos presentes na região da coxa dos simuladores na postura sentada, e a geometria paralela desses órgãos com as geometrias AP e PA. 57

80 Conjuntos completos de coeficientes de conversão de dose equivalente para feixes externos de fótons monoenergéticos em geometrias idealizadas foram calculados a partir de dois simuladores híbridos adultos, UFHADM e UFHADF, na postura sentada. Devido a diferenças anatômicas, e posições dos braços e pernas dos simuladores UFHADM e UFHADF em comparação com os simuladores voxels AM e AF, ambos na postura sentada, foram encontradas diferenças significativas nos valores dos CCs de dose efetiva nas geometrias de irradiação AP, laterais, ROT e ISO, com diferenças de até 54 % menores nos simuladores híbridos. Na geometria de irradiação ISO, os CCs de dose efetiva apresentaram diferenças importantes somente em baixas energias na comparação entre os simuladores híbridos e voxels na postura sentada. À medida que a energia aumenta, a razão tende a unidade, indicando uma deposição energética semelhante em ambos os simuladores. As maiores diferenças no CCs entre os dois tipos de simuladores ocorrer em baixa energia, abaixo de 0,05 MeV. Em altas energias as diferenças são pequenas, menores que 10%. Assim, este estudo sugere que o desenvolvimento de simuladores tão reais quanto possível é de fundamental importância para uma estimativa de dose mais precisa em diferentes tipos de cenários de exposição. 58

81 7 Sugestões para trabalhos futuros Utilizar os simuladores na postura sentada em cenários de braquiterapia, contador de corpo inteiro e exposição de astronautas. Os simuladores voxels e híbridos apresentados nesse trabalho estão sendo incorporado em um cenário de contador de corpo inteiro que utiliza detector de germânio hiper-puro (HPGe) no laberatório SCK&CEN Nuclear Research Centre em Mol, Belgica, afim de se estimar a eficiência de contagem do detector por simulação de Monte Carlo respeitando a biocinética do radionuclideo contaminante, como ilustrado na Figura 7.1. O mesmo será feito com os demais simuladores na postura sentada. Figura 7.1. Cenário de exposição de um laboratório de dosimetria in-vivo utilizando contador de corpo inteiro e detector de HPGe. O simulador UFHADM sentado está sendo incorporado em um cenário de braquiterapia a fim de avaliar a dose nos órgãos e no individuo ocupacionalmente exposto que administra as sementes dos radioisótopos comumente utilizado.