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Ano 2 - N º 08 Julho/Agosto - 2009
AVALIAÇÃO DO SISTEMA DE COLIMAÇÃO DO PROTÓTIPO DE UM
TOMÓGRAFO BASEADO EM FEIXE DE PRÓTONS DE BAIXA ENERGIA
POR SIMULAÇÕES DE MONTE CARLO .
Aline Bortolini 1, João Antonio de Palma
Setti 2, Hugo Reuters Schelin 3, Carla
Kosuki 3, Rita de Cássia de Lima 3,
Edney Milhoretto 3, Ivan Evseev 3
*e-mail para contato:
[email protected]
RESUMO:O presente trabalho faz parte de um projeto de maior extensão que
envolve cientistas do Centro Médico da Universidade de Loma Linda EUA (LLUMC),
Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Instituto de Pesquisa da
Universidade Estadual do Rio de Janeiro (IP/UERJ) e Pontifícia Universidade Católica
do Paraná (PUC-PR), cuja proposta é desenvolver um tomógrafo por feixe de prótons
(pCT). Como contribuição a esse projeto, é apresentado um phantom construído a base
de materiais de baixa densidade, polipropileno e água, com geometria tubular,
obedecendo ao limite de energia, 22,98 MeV, disponível na câmara de espalhamento
CV-28 do IEN/CNEN (Instituto de Energia Nuclear/Comissão Nacional de Energia
Nuclear). Todos os dados foram obtidos por simulação computacional, pelo método de
Monte Carlo.
ABSTRACT: The present work makes part of a project of bigger extension that
wraps scientists of the Medical Centre of the University of Loma Linda USA
(LLUMC), Technological Federal University of the Paraná (UTFPR), Institute of
Inquiry of the State University of the Rio of January (IP/UERJ) and Catholic Pontifícia
Universidade of the Paraná (PUC-PR), whose proposal is to develop a tomografo for
bundle of protons (pCT). Like contribution to this project, there is introduced a phantom
built to base of materials of low density, polipropileno and water, with tubular
geometry, obeying to the limit of energy, 22,98 MeV, available in the camera of
spreading CV-28 of the IEN/CNEN (Institute of Nuclear Energy / National Commission
of Nuclear Energy). All the data were obtained by computational simulation, by the
method of Monte Carlo.
Ano 2 - N º 08 Julho/Agosto - 2009
1 Mestranda do Curso de Tecnologia em Saúde, PUC-PR
2 Orientador Doutor em Engenharia Elétrica, UFPR
3 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, UTFPR
PALAVRAS-CHAVE: Protonterapia, simulações computacionais, método de
Monte Carlo, phantom.
KEY-WORDS : Proton therapy, computational simulations, method of Monte
Carlo, phantom.
1. INTRODUÇÃO
O artigo a seguir se refere a um projeto de mestrado iniciado em março de 2007
e também faz parte de um grande projeto de pesquisa, que conta com colaborações
inter-institucionais nacionais e internacionais, buscando o desenvolvimento de um
protótipo de pequenas dimensões de um tomógrafo que utiliza feixe de prótons.
As novas tecnologias atinentes ao tratamento do câncer visam melhor eficácia e
menor risco ao paciente. A terapia por radiação de prótons é uma alternativa nãoinvasiva de tratamento para o câncer. Oportuniza uma melhor qualidade de vida ao
paciente, se comparada à terapia por base de fótons, por haver menor exposição à
radiação. Em função da característica da curva de Bragg, o feixe de prótons deposita a
energia diretamente no local do tumor, atingindo assim as células comprometidas mais
eficientemente e poupando os tecidos sadios.
Atualmente, o posicionamento do paciente é feito utilizando dados da
tomografia com raios X e essa mudança de equipamento provoca sempre incerteza no
reposicionamento. Uma forma de resolver esse problema consiste em obter as
tomografias diretamente no equipamento de tratamento com prótons. Para a
implementação desta técnica está sendo utilizado um experimento de pCT no CV-28 do
IEN/CNEN.
2. OBJETIVOS
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O objetivo geral deste trabalho é dar seguimento às etapas de modelagem e
avaliação do protótipo de um tomógrafo baseado em feixe de prótons, apresentando um
novo phantom e ajustando o sistema de colimação.
3. CONTEXTUALIZAÇÃO – LITERATURA E FUNDAMENTAÇÃO
CONCEITUAL.
A terapia por prótons é a forma mais precisa para tratamento de tumores. A
protonterapia,
para
determinadas
aplicações
apresenta
vantagens
altamente
significativas. Devido às características de interação do próton com a matéria, o alvo
pode ser irradiado com mais precisão. Irradiando diretamente sobre o tumor em
tratamento, a maior parte de energia da radiação, sem afetar tecidos vizinhos saudáveis
(ASSIS et al. 2005).
A Tomografia Computorizada por feixe de prótons (pCT) de alta energia é um
dos métodos de imaginologia não destrutiva para obtenção da estrutura interna de
objetos, da mesma forma que a Tomografia Computadorizada de raios-X e a
Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET). Este método é relativamente antigo e já é
conhecido desde o final da década de 70.
A referida terapia teve seus primeiros estudos, sobre a utilização no tratamento
de câncer, atribuídos ao Dr. Robert Rathbun Wilson em 1946, contribuindo
significativamente para o desenvolvimento desse tratamento, como é realizado
atualmente no Centro Médico da Universidade de Loma Linda (LLUMC) nos Estados
Unidos. Esse centro de tratamento foi criado em 1990 e destacado por ser o primeiro
especializado no mundo a aplicar esta tecnologia (SETTI, 2006). Até o ano de 2007,
onze mil pacientes tinham sido tratados.
Atualmente, há mais de vinte centros de protonterapia em todo mundo, nos quais
mais de 42.000 pacientes já foram tratados (METZ, 2006). Porém, mesmo com a grande
demanda e incidência de portadores de neoplasia no Brasil, ainda não existe um centro
de protonterapia brasileiro ou localizado em outro país da América Latina.
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O procedimento normal que precede a radioterapia com prótons consiste em um
prévio diagnóstico tomográfico convencional de raios X. Posteriormente, faz-se uma
conversão dos números de CT obtidos em valores de densidade eletrônica relativa. A
incerteza resultante pode induzir a erros de posicionamento dependendo da região
anatômica tratada.
No Brasil, está em desenvolvimento um protótipo de um pequeno tomógrafo
baseado em feixe de prótons. Essa pesquisa abrange um grupo de cientistas da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) juntamente com Instituto de
Pesquisa da Universidade Estadual do Rio de Janeiro (IP/UERJ), unindo-se também ao
grupo, pesquisadores da Pontifícia Universidade Católica (PUC-PR).
4. MATERIAIS E MÉTODOS
A execução do presente trabalho requer a utilização de um computador e alguns
programas. O método de Monte Carlo será utilizado, pelos códigos: SRIM-2008
(Stopping and Range of Ions in Matter), TRIM (Transport of Ions in Matter) e Geant4
(Geometry and Track). Considerando as características dos elementos a serem
simulados, bem como contemplando os principais aspectos físicos - tanto o de radiação
do feixe, quanto o dos núcleos alvo - as etapas planejadas para o levantamento
diagnóstico são as seguintes:
1 – Elaboração de um novo phantom;
2 – Simulações computacionais pelo método de Monte Carlo;
3 – Reconstrução da imagem tomográfica;
4 – Análise da imagem.
5. RESULTADOS
Os materiais mais propícios para a elaboração do phanton iniciaram-se com os
testes para descobrir se uma diferença de 0,1 g/cm3 nas densidades que poderia
interferir na energia final detectada e, se a colimação ou não do feixe resultaria em
discrepâncias no espectro. A figura 1 mostra três camadas de água e de polipropileno
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com 1, 2 e 4 mm de espessura cada uma com colimador na saída. A figura 2 apresenta o
resultado da utilização do colimador, e também com sua não utilização.
Figura 1 - Gráfico da energia final em cada espessura dos materiais do phantom
Figura 2 - Gráfico das energias finais com e sem colimador
Realizadas as devidas alterações no código Geant4, um arquivo de saída fornece
uma estrutura gráfica como mostrado na figura 3. O tubo é o phantom seguido pelo
colimador de alumínio e o detector de silício dopado com lítio Si(Li).
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Figura 3 Esquema do protótipo utilizando o novo phantom
O objetivo das análises foi obter materiais que oferecessem melhores condições para a
travessia das partículas; dessa forma, limitou-se em observações dos dados referentes à energia.
A figura 4 mostra a forma final do phantom. A base da estrutura externa foi elaborada a
partir do tubo de uma seringa comercial de 1 ml. A medida da espessura da parede foi feita
utilizando um micrômetro da mesma forma que o tubo interno. A composição da estrutura
interna consiste de um tubo de carga de caneta esferográfica comercial com medidas
equivalentes às necessidades do protótipo. Para fixar o tubo interno foram utilizados dois
êmbolos de borracha os quais, além de centralizar, fazem o processo de vedação da água. Dois
pequenos pinos de plástico fazem a fixação do tubo interno com os êmbolos.
Figura 4 - Foto do phantom finalizado. A moeda dá referência ao tamanho final
Na tabela 1, estão especificadas as estrutura que compõe o novo phantom.
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Estruturas
Diâmetro (mm)
Tubo interno - diâmetro interno
Tubo interno - diâmetro externo
Tubo externo – diâmetro interno
Tubo externo - diâmetro externo
Camada de Água - diâmetro interno
Camada de Água - diâmetro externo
Camada de Ar
1,98
3,20
4,70
6,14
3,20
4,70
1,98
Material Densid (g/cm3)
Polipropileno
0,90
Água destilada
1,0
Ar
0,00125
Tabela 1 - Dimensões das estruturas que compõem o novo phantom.
Os programas computacionais utilizados são os seguintes: SRIM/TRIM 2008 e
GEANT4.
SRIM-2008
O meio utilizado para certificar se o material escolhido apresenta as
características evidenciadas no início, foi o software SRIM-2008 (Stopping and Range
of Ions in Matter) que, a partir de fórmulas e constantes físicas, realiza cálculos da
interação do íon com a matéria. Tal programa é composto por um módulo denominado
TRIM (Transport of Ions in Matter) e simula a passagem de íons através do material,
codificando a perda de energia e o espalhamento dentro de camadas de materiais que
podem ser selecionados dentro desta plataforma.
A figura 5 mostra a tela principal do TRIM. Nele é possível selecionar a energia
desejada, o íon incidente, sua quantidade e ângulo de projeção, os materiais alvos
desejados, dentre outros recursos. No SRIM-2008 só é possível trabalhar em camadas.
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Figura 5: Tela principal do TRIM
A figura 6 apresenta a tela de simulação do SRIM-2008, onde estão inseridas as
camadas de polipropileno, de água e de ar usadas na elaboração do phantom. O feixe de
prótons atravessa uma região correspondente ao centro do objeto proposto, cuja
geometria é tubular.
Figura 6 - Tela de simulação do SRIM-2008
Após a simulação, um arquivo de saída denominado TRANSMIT.txt fornece as
informações referentes aos íons transmitidos. A energia do presente experimento,
mostrado na figura 6, em torno de 10 MeV é suficiente para formação de imagem.
Geant4
GEANT4
O código Geant4 (Geometry and Track) é uma ferramenta para simular a
passagem de partículas através da matéria. Possibilita a construção de geometrias bem
elaboradas e a criação de elementos inexistentes na natureza. As partículas simuladas
são propagadas através de campos magnéticos e elétricos, assim como através dos
materiais, chegando ao detector. O programa é dotado de informações sobre processos
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físicos que governam as interações das partículas sob variada faixa de energia. Os
instrumentos de visualização e uma interface flexível são disponíveis em componentes
separados.
6. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
O presente trabalho demonstrou que o phantom modelado tem as especificações
adequadas ao protótipo do pCT. Os materiais escolhidos possuem baixa densidade e
pequena espessura, características que possibilitam a simulação da passagem de feixe de
prótons de baixa energia em seu interior e a reconstrução tomográfica.
Infere-se que o método Monte Carlo fornece um ambiente computacional que
possibilita a aquisição de dados teóricos de forma concisa e resultados com
credibilidade. Foi demonstrado, também, que, quando um feixe de prótons percorre uma
região com estruturas de pequenas dimensões e densidades próximas, pode não ser
registrado pelo detector e, assim, originar uma imagem com baixa ou com ausência de
resolução. Diante dessa problemática, o algoritmo de reconstrução de imagem deverá
ser adequado para pCT em trabalhos futuros
7. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Os resultados obtidos demonstram a importância da inclusão de eventos
nucleares no transporte de partículas de prótons no meio orgânico. Há um percentual
alto de prótons espalhados, os quais contribuem para a dose na circunvizinhança do
tecido tumoral.
Como segunda etapa do trabalho, os programas computacionais serão
configurados de acordo com a proposta inicial do feixe de prótons em forma de lápis
(pencil beam). Assim será possível concluir o estudo sobre o sistema de colimadores
para diminuição do espalhamento e eficiência da dose depositada.
8. REFERÊNCIAS
Ano 2 - N º 08 Julho/Agosto - 2009
ASSIS, J.T et al. Proton Computed Tomography as a Tool for Proton Therapy Planning:
Preliminary Computer Simulations and Comparisons With X-Ray CT Basics. X-ray
Spectrometry, v. 34, n. 1, p. 481-492, 2005.
EVSEEV, I., KLOCK, M. C. L., PASCHUK, S., SCHELIN, H. R., SETTI, J. A. P.,
LOPES, R. T., SCHULTE, R., WILLIAMS, D., Computerized Tomography With HighEnergy Proton Beams: Tomographic Image Reconstruction from Computer-Simulated
Data, Brazilian Journal of Physics, Brasil, v. 34, n. 3A, p. 804-807, 2004.
CANEVAROLO JUNIOR, Sebastião V.. Ciência dos polímeros: um texto básico para
tecnólogos e engenheiros. São Paulo: Artliber, 2002. 183 p.
METZ, J. History of proton therapy. Differences between Protons and X-Rays. Reduced
normal tissue toxicity with proton therapy. ONKOLINK: Abrason Câncer Center of the
University of Pennsylvania, 2006. Disponível em www.oncolink.spuenn.edu. Acesso
em: 22 jul. 2008.
MILHORETTO, E., Determinação da Influência de Fatores Físicos no Espectro de
Energia de um Protótipo de Tomógrafo por Feixe de Prótons por Simulação de Monte
Carlo, Tese de mestrado, UTFPR,2007.
SETTI, J., Tomografia computadorizada por feixe de prótons de baixa energia, Tese de
doutorado, UTFPR, 2006.
YEVSEYEVA,O., Estudo de Restrições Em Tomografia com Feixe de Partículas
Carregadas Através de Modelagem Computacional, Dissertação de Mestrado, IP/UERJ,
Nova Friburgo, 2005.