2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005 Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: 85-99141-01-5 CÁLCULO DE BLINDAGEM PARA INSTALAÇÕES DE RADIOTERAPIA POR RAIOS X COM AUXÍLIO DE COMPUTADOR Paulo Sergio Pedrosa 1, Sergio Gavazza 2 e Marcos Santana Farias 3 1 Instituto de Engenharia Nuclear (IEN / CNEN - RJ) Caixa Postal 68550 21945-970 Rio de Janeiro, RJ pedrosa@ien.gov.br 2 Departamento das Ciências Fundamentais, Radiação e Meio Ambiente Instituto Militar de Engenharia (IME RJ) e Centro de Ciências Exatas e Tecnologia (CETEC) Universidade Gama Filho Rua Manoel Vitorino 553 20748-900 Rio de Janeiro, RJ gavazza@ugf.br 3 Instituto de Engenharia Nuclear (IEN / CNEN - RJ) Caixa Postal 68550 21945-970 Rio de Janeiro, RJ msantana@ien.gov.br RESUMO Este trabalho apresenta uma metodologia para cálculo de blindagens de raios X em instalações de radioterapia com auxílio de computador. Foi desenvolvido um programa amigável, chamado RadTeraX, em linguagem de programação Delphi que, através da entrada manual de dados de um projeto básico de arquitetura e de alguns parâmetros, interpreta a geometria e calcula as blindagens das paredes, do chão e do teto de uma instalação de radioterapia por raios X. Como produto final, este programa fornece uma tela gráfica no computador com todos os dados de entrada e o cálculo das blindagens, além da respectiva memória de cálculo. Ainda hoje, no Brasil, o cálculo da blindagem para instalações de radioterapia com raios X é feito tomando-se por base as recomendações da NCRP-49, que estabelece uma metodologia de cálculo necessária à elaboração de um projeto de blindagem. Entretanto, em altas energias, onde é necessária a construção de um labirinto, a NCRP-49 é insuficiente, de modo que neste campo, estudos foram feitos originando um artigo que propõe uma solução para o problema e esta solução foi implementada no programa. O programa pode ser aplicado na execução prática de projetos de blindagem para instalações de radioterapia e de modo didático em comparação a NCRP-49 e foi registrado sob o n 00059420 no INPI Instituto Nacional da Propriedade Industrial. 1. INTRODUÇÃO A portaria nº 3.535, de 2 de setembro de 1998, da ANVISA (Agência Nacional de Vigilância Sanitária) estabelece, em seu capítulo 3, que o serviço de radioterapia deve, entre outras coisas, atender especificamente à norma CNEN-NE 3.06/90 Requisitos de Radioproteção e Segurança de Radioterapia da Comissão Nacional de Energia Nuclear. Esta norma, por sua vez, no item 4.5.3 estabelece, entre outras coisas, que projetos de novas instalações e/ou modificações envolvendo blindagem estrutural serão revistos e aprovados por perito qualificado e estão sujeitos à aprovação por autoridade competente.
Ainda hoje, no Brasil, o cálculo da blindagem para instalações de radioterapia com raios X é feito tomando-se por base a recomendação NCRP-49 [1], que estabelece a metodologia de cálculo necessária à elaboração de um projeto de blindagem. No que concerne às altas energias, onde é necessária a construção de um labirinto, a NCRP-49 é insuficiente, de modo que neste campo, estudos foram feitos originando um artigo [2] que propõe uma solução para o problema. Considerando que a metodologia de cálculo estabelecida pela NCRP-49 e por recomendações adicionais envolve cálculos repetitivos, consulta a tabelas e outros, observa-se que esse processo poderia ser automatizado e que deste modo seria eliminado este trabalho tedioso que está sujeito a erros. No entanto, desconhece-se, particularmente no Brasil, a existência de qualquer software que execute estes procedimentos de cálculo. O enfoque deste trabalho [3] foi o desenvolvimento de uma metodologia de cálculo assistida por computador que possa, por meio da entrada de dados referentes aos elementos geométricos do referido projeto e dados do equipamento gerador de raios X, calcular a blindagem das paredes, piso e teto, e labirinto quando for o caso, de uma instalação de radioterapia por raios X, gerando como produto final, uma planta baixa básica das blindagens na tela do computador, especificando dois materiais possíveis de blindagem, que serão o concreto ou o chumbo, com as suas respectivas espessuras e, ainda, gerando uma memória de cálculo de todo o projeto. O programa gráfico resultante deste estudo fornecerá dados de saída juntamente com uma memória de cálculo, a partir de uma entrada manual de dados. Considerando que toda atividade de radioterapia por raios X deve atender aos requisitos de proteção radiológica, destacando-se dentre esses a blindagem, e que a automação elimina em boa parte o trabalho tedioso, gera maior precisão e economia de tempo do projetista, pode-se justificar e ressaltar a importância deste trabalho no sentido em que este objetiva o desenvolvimento de uma metodologia de cálculo assistida por computador para auxiliar os projetistas de blindagens de instalações de radioterapia por raios X na execução de seus projetos, contribuindo, assim, no aumento da precisão dos resultados e na economia de tempo. 2. CÁLCULO MANUAL Esta seção tem a finalidade de apresentar os conceitos básicos, previstos na NCRP-49 e demais recomendações, para projetos de blindagem de instalações de radioterapia por raios X. A metodologia aqui empregada é a da determinação das blindagens por meio da utilização dos parâmetros citados na seção 2.1.2. em uma das 13 tabelas de dimensionamento de blindagem da NCRP-49. 2.1. O Projeto da Blindagem 2.1.1. As barreiras de proteção primária e secundária Existem dois tipos de barreiras de proteção: a barreira de proteção primária (bpp) e a barreira de proteção secundária (bps).
A barreira de proteção primária, posicionada entre a fonte e o individuo a ser protegido, tem a finalidade de atenuar o feixe útil. A barreira de proteção secundária, posicionada entre a fonte e o indivíduo a ser protegido, tem a finalidade de atenuar a radiação de fuga do equipamento e a radiação espalhada pelo paciente. A Fig. 1 mostra uma bpp protegendo um individuo em A de um feixe útil de raio X oriundo da fonte localizada em F, a uma distância d, dada pela equação 1; mostra também uma bps protegendo um individuo em B da radiação de fuga do cabeçote e espalhada pelo paciente de um feixe útil de raios X oriundo da fonte F a uma distancia d, dada pela equação 2, de B. B d sec barreira de proteção secundária d fi F P Isocentro d ia barreira de proteção primária A Figura 1. Vista parcial de uma sala de radioterapia d = d fi + d ia (1) d ' = d sec (2) onde: d fi = distância entre fonte e isocentro d ia = distância entre isocentro e a superfície externa da barreira de proteção primária mais 0,30 m. d sec = distância entre fonte e a superfície externa da barreira de proteção secundária mais 0,30 m. Normalmente, o cabeçote do gerador de raio X gira em torno de um eixo, de modo que pode ser direcionado para 2 paredes, piso e teto, deste modo estas superfícies funcionarão com bpp, e as demais paredes como bps.
2.1.2. Parâmetros utilizados na determinação da blindagem 2.1.2.1. Máxima voltagem do equipamento Normalmente expressa em kvp (kilovolt pico), fornece a máxima voltagem aplicada no par anodo-catodo do tubo gerador de raios X. 2.1.2.2. Distância entre a fonte e o ponto de interesse É a distancia d (equação 1) ou d (equação 2). A NCRP-49 recomenda que o projetista considere o individuo a ser protegido situado a uma distância de 0,30m da superfície externa da barreira de proteção. 2.1.2.3. A carga de trabalho A carga de trabalho (W), também conhecida por workload, é a medida de radiação produzida por um gerador de raios X em uma semana. As unidades de carga de trabalho utilizadas em geradores de raios X de instalações de radioterapia são: ma.min/semana ou Gy/semana à 1 metro. 2.1.2.4. Fator de ocupação O fator de ocupação (T) é um parâmetro adimensional relacionado à área a ser protegida, e corresponde à fração da carga de trabalho na qual uma pessoa ou um grupo de pessoas são submetidas à um feixe de raios X. O fator de ocupação pode assumir valores de: 1, 1/4 ou 1/16. 2.1.2.5. Fator de uso O fator de uso (U) é um parâmetro adimensional que indica a fração da carga de trabalho semanal na qual determinada barreira de proteção é submetida ao feixe principal de raios X. Na falta de valores práticos, os valores da tabela 1 podem ser utilizados. As bps terão um fator de uso sempre igual à 1, pois estarão sempre sujeitas à radiação de fuga e a espalhada. Tabela 1. Fator de uso Piso U=1 Paredes U=1/4 Teto U=1/4
2.1.2.6. Limite de dose equivalente efetiva semanal Como existem diferenças de valores para áreas livres entre a NCPR-49 e a norma CNEN-NE-3.01 que é utilizada no Brasil, e que pode ser vista na tabela 2, torna-se necessário adicionar um certo valor de camada decirredutora (TVL Tenth Value Layer) aos valores de blindagem fornecidos pelas tabelas da NCRP-49. Os valores de camada decirredutora serão: x 1 (equação 3) ou x 2 (equação 4) para o caso de se utilizar as tabelas que vão de 4 MV à 10 MV, onde só existem valores de blindagem para áreas restritas. Tabela 2. Limite de dose equivalente efetiva semanal. NCRP-49 CNEN-NE-3.01 Áreas restritas 1 msv 1 msv Áreas livres 0,1 msv 0,02 msv x 1 = TVL.log5 (3) x 2 = TVL.log50 (4) 2.1.3. As tabelas de dimensionamento da blindagem Após terem sido determinados os parâmetros citados na seção 2.1.2., o projetista tem condições de determinar as espessuras das blindagens primárias e secundárias, de concreto ou de chumbo, pela utilização destes parâmetros nas tabelas da NCRP-49. A tabela 3 é uma mostra das 13 tabelas de dimensionamento de blindagem da NCRP-49 e é também a tabela utilizada para a realização do cálculo manual da tabela 5 deste artigo. Como a NCRP-49 não deixou explícita a possibilidade de interpolação dos valores das tabelas, recomenda-se aproximar o resultado para o valor mais crítico. 2.1.4. Dimensionamento do labirinto Na faixa maior ou igual a 4 MV e menor ou igual a 10 MV, faz-se necessário a construção de um labirinto, que não deverá estar sujeito ao feixe principal, para que haja uma maior atenuação da radiação que chega à porta de acesso, caso contrário esta deverá ser muito pesada. Como a NCRP-49 é insuficiente com respeito à labirintos, estudos foram feitos originando um artigo [2], que propõe uma solução para o problema. Esta solução foi implementada no programa.
Tabela 3. Requerimentos mínimos de blindagem para instalações de terapia de 6MV para áreas restritas. WUT em R em 1 metro Distância em metros da fonte à área ocupada 160.000 1,5 2,1 3,0 4,2 6,1 8,4 12,2 17 80.000 1,5 2,1 3,0 4,2 6,1 8,4 12,2 17 40.000 1,5 2,1 3,0 4,2 6,1 8,4 12,2 17 20.000 1,5 2,1 3,0 4,2 6,1 8,4 12,2 10.000 1,5 2,1 3,0 4,2 6,1 8,4 5.000 1,5 2,1 3,0 4,2 6,1 2.500 1,5 2,1 3,0 4,2 Tipo de Barreira de proteção Material Espessura da Barreira em cm Primária Concreto 202 192 182 172 161 151 141 131 119 109 Primária Chumbo 33 31 29,5 27,5 26 24,5 22,5 21 19 17,5 Fuga (0,1%) Concreto 98,5 88 77,5 67,5 57 46,5 36 25,5 15,5 5 Fuga (0,1%) Chumbo 16 14,5 12,5 11 9 7,5 6 4 2,5 1 3. CÁLCULO POR COMPUTADOR O RadTeraX, produto deste trabalho, é um software desenvolvido na linguagem de programação Delphi, utilizando uma programação orientada a evento, que opera com dados inseridos pelo usuário em suas caixas de diálogos (Fig. 2) de modo a prover todas as informações do gerador de raios X e geométricas de um projeto básico de arquitetura. De posse de todas as informações necessárias para o cálculo da blindagem, o programa executa alguns cálculos preliminares e consulta um banco de dados contendo todas as 13 tabelas de dimensionamento de blindagem da NCRP-49. Após a consulta às tabelas, o RadTeraX executa os cálculos finais necessários ao dimensionamento das blindagens das paredes, piso, teto, porta e labirinto, se for o caso, de uma instalação de radioterapia por raios X, produzindo uma planta baixa básica das blindagens na tela do computador (Fig. 3) com todos os dados inseridos pelo usuário, as dimensões das blindagens e a respectiva memória de cálculo. O RadTeraX foi registrado sob o n 00059420 no INPI Instituto Nacional da Propriedade Industrial. No dimensionamento das blindagens para cada parede, piso, teto porta e labirinto da instalação de radioterapia por raios X, o RadTeraX apresentará duas opções como blindagem final, o concreto comum ou o chumbo, com densidades de 2,35 e 11,36 g/cm 3 respectivamente. A Fig. 4 mostra a tela do RadTeraX caso a tensão de operação escolhida seja igual ou menor que 3 MV, ou seja, sem a necessidade de construção de labirinto.
Figura 2. Uma das telas de entrada de dados do RadTeraX
Figura 3. Tela final do RadTeraX
Figura 4. Instalação sem a necessidade de labirinto
4. RESULTADOS A finalidade desta seção é fazer um estudo de caso com o objetivo de serem comparados os resultados obtidos pelo RadTeraX com os resultados obtidos pelo cálculo convencional de blindagem de uma instalação de radioterapia por raios X efetuado manualmente. Tomando-se por base os dados de entrada da tabela 4, que são os mesmos utilizados na Fig. 3, e analisando os resultados obtidos pelos dois processos, manual e pelo RadTeraX, apresentados na tabela 5, verifica-se, claramente, a coerência dos resultados. Tabela 4. Dados de entrada do processo manual Tensão de operação do gerador de raios X = 6000KV Carga de trabalho (W) = 1000 Gy/sem. em 1m Distância do isocentro à fonte = 0,5m Todas as áreas adjacentes as paredes = Livres Parede A Parede B Teto Piso Parede C Parede D Parede E Fator de Uso (U) 0,25 0,25 0,25 1 1 1 1 Fator de Ocupação (T) 1 1 1/16 1/16 1/4 1/16 1 Distância até o isocentro (m) 6 6 3,4 4 6 6 8,2 Tabela 5. Comparação de resultados Manual x RadTeraX Barreiras de Resultados das blindagens proteção Cálculo Manual RadTeraX Chumbo Concreto Chumbo Concreto Parede A 32,01cm 199,61cm 32,01cm 199,61cm Parede B 32,01cm 199,61cm 32,01cm 199,61cm Teto 27,01cm 167,61cm 27,01cm 167,61cm Piso 30,51cm 189,61cm 30,51cm 189,61cm Parede C 15,51cm 94,61cm 15,51cm 94,61cm Parede D 12,01cm 74,11cm 12,01cm 74,11cm Blindagem F 10,51cm - 10,51cm - Porta do labirinto 4,229cm - 4,229cm - Parede E 4,084cm 27,67cm 4,084cm 27,67cm
5. CONCLUSÕES Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia de cálculo, assistida por computador, que por meio de dados de entrada pôde calcular a blindagem das paredes, piso, teto e labirinto de uma instalação de radioterapia por raios X gerando, como produto final, uma planta baixa básica das blindagens na tela do computador, especificando os materiais e a sua espessura e, ainda, gerando uma memória de cálculo de todo o projeto de blindagem sendo tudo isso feito com rapidez e confiabilidade. A consistência dos resultados obtidos no estudo de caso apresentado na seção 4 confirma isso. O RadTeraX permite, com segurança, executar o dimensionamento da blindagem de uma instalação de radioterapia por raios X seguindo, rigorosamente, a NCRP-49 e demais recomendações. Embora não seja uma versão comercial, o RadTeraX poderá auxiliar, desde já, os projetistas de blindagem de instalações de radioterapias por raios X permitindo-lhes, maior precisão e economia de tempo em seus projetos. No âmbito acadêmico, poderá ser utilizado como fonte de aprendizado e comparação de resultados. É importante frisar que nenhum software é isento de falhas, e que só o uso contínuo por parte dos mais diversos usuários e nas mais variadas situações levará a um refinamento de seu conteúdo. Deve-se observar que a Radioterapia não é composta somente por gerador de raios X, mas também por aceleradores de elétrons, emissores de radiação gama e beta. Portanto, seria interessante que se seguisse a mesma linha de desenvolvimento para estes outros ramos da Radioterapia. REFERÊNCIAS 1. National Council on Radiation Protection and Measurements, NCRP Report no. 49: Stuctural Shielding Design and Evaluation for Medical Use of X Rays and Gamma Rays of Energies Up to 10 MeV, Washington D.C. (1979). 2. P. S. Pedrosa, S. Gavazza e L. F. Bellido, Uma Proposta para o Cálculo da Blindagem da Porta e da Parede Externa do Labirinto da Sala de Radioterapia Médica, Revista de Física Aplicada e Instrumentação, Volume 17, n.2 pp. 70-74 (2004). 3. P. S. Pedrosa e S. Gavazza, Cálculo de Blindagem para Instalações de Radioterapia por Raios X com Auxílio de Computador, M.Sc. Thesis, Instituto Militar de Engenharia IME, Rio de Janeiro RJ (2004).