METROSUL IV – IV Congresso Latino-Americano de Metrologia“A METROLOGIA E A COMPETITIVIDADE NO MERCADO GLOBALIZADO”

09 a 12 de Novembro, 2004, Foz do Iguaçu, Paraná – BRASILRede Paranaense de Metrologia e Ensaios

DOSIMETRIA DE FEIXES DE RAIOS-X SUPERFICIAL COM FRICKE

C. Austerlitz1, V. Souza1 e A. Cordilha2

Centro Regional de Ciências NuclearesRua Cônego Barata, 999, Tamarineira

52110-120 Recife PEauster@elogica.comvlsouza@cnen.gov.br

2Instituto de Radioproteção e DosimetriaAv. Salvador Allende s/n

Recreio dos Bandeirantes22780-160 Rio de Janeiro, RJ

aloisio@ird.gov.br

RESUMO

Os rendimentos de quatro qualidades de radiação produzidas por um aparelho de raios-X Pantak de 160 kV com potenciais entre 30 e 100 kV foram determinados com uma câmara de ionização de placas paralelas e com o dosímetro Fricke. As qualidades de radiação utilizadas foram aquelas recomendadas pela “Deutsh Internationale Normung”, DIN 6809 e as medidas de dose foram determinadas em simuladores de plexiglas. Os resultados demonstraram que o dosímetro Fricke pode ser utilizado não apenas para a dosimetria desses equipamentos mas também para a manutenção do fator de calibração de sistemas de medidas para baixas energias.

Descritores: Dosimetria, raios-x superficial, Fricke

ABSTRACT

The output of four X-ray quality generated by a Pantak 160 kV X-ray machine with potentials between 30 and 100 kV were determined with a parallel-plate ionization chamber and with the Fricke dosimeter. The X-ray qualities were those stated in the “Deutsh Internationale Normung”, DIN 6809 and for both measurement systems the absorbed dose to water was evaluated in plexiglas phantoms. It was concluded that the Fricke dosimeter could be used to perform the radiation dosimetry of therapeutic X-ray machines as well as for the maintenance of calibration factors of standard measuring assemblies.

Key words: Radiation dosimetry, soft x-rays, Fricke dosimeter

INTRODUÇÃO

Irradiadores de cobalto-60, aceleradores lineares e aparelhos de raios-X superficiais têm sido utilizados no tratamento de neoplasias malignas em diversas instituições hospitalares do país.

A perspectiva de cura de pacientes que apresentam lesões malignas depende da magnitude da dose de radiação envolvida no processo terapêutico. Nessa condição, níveis de dose inferiores a um valor considerado ótimo resultarão em um número reduzido de curas bem sucedidas, bem como na ausência de complicações clínicas posteriores. Por outro lado, doses elevadas de radiação, ao mesmo tempo em que aumentam a probabilidade de sucesso do processo de cura desse tipo de tumor, também promovem a ocorrência frequente de efeitos clínicos retardados e indesejáveis nos pacientes assistidos [1].

A Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) é o órgão responsável pelo conjunto de medidas de caráter técnico na manutenção e na operação dessas instalações, visando adequá-las à legislação específica vigente, minimizar a probabilidade de ocorrência de acidentes, além de monitorar as doses de radiação ministradas nos pacientes submetidos à radioterapia [2].

De um modo geral, os níveis ótimos de dose de radiação dependem tanto do tipo de tumor quanto das especificações do equipamento ou da fonte de radiação utilizados no processo terapêutico [3]. Entretanto, os níveis de exatidão associados ao processo de determinação dessa grandeza não são especificados nas normas da CNEN, considerando-se, a partir de relatórios técnicos produzidos em inspeções regulatórias realizadas por essa Instituição, satisfatórias as clínicas onde os desvios entre as doses ministradas nos pacientes e os valores de dose avaliados nas inspeções estão dentro de 3% [4].

Esse tipo de inspeção, entretanto, não contempla aparelhos de raios-X superficiais,

ficando o controle do rendimento desses equipamentos a critério dos físicos hospitalares das instituições. Frequentemente esse tipo de acompanhamento se baseia na dosimetria com câmara de ionização de placas paralelas, partindo-se do pressuposto de que o sistema de medida utilizado não apresenta alterações de resposta/sensibilidade no período posterior à sua calibração, que não deve exceder o período de um ano [5].

Não existe, portanto, em nível nacional um programa de intercomparação para aparelhos de raios-X terapêuticos. Deve-se levar em conta que a necessidade do transporte de equipamentos e de padrões, bem como a locomoção de técnicos especializados em um país de grande extensão territorial são etapas que envolvem altos custos operacionais. Além disso, constata-se que intercomparações interdepartamentais implicam no uso de um outro sistema de medida, e/ou fontes de controle, em geral indisponíveis na maioria dos centros de radioterapia, em decorrência do seu elevado custo, bem como de restrições ao processo de importação.

Este trabalho teve como objetivo a implantação e implementação da dosimetria Fricke para baixas energias para ser usada no controle de qualidade da dosimetria de aparelhos de raios-X superficial e da manunteção do fator de calibração de sistemas de medidas utilizados para esse fim.

MATERIAL E MÉTODO

Um aparelho de raios-X Pantak de 160 kV, foi utilizado para irradiar um sistema de medida de referência e o dosímetro Fricke. Os potenciais do tubo foram estabelecidos com um espectrômetro Eurisys (HP)Ge para as qualidades de radiação mostradas na Tabela 1, especificadas pela Deutsches Institut für Normung [6]. As camadas semi-retutoras foram determinadas com filtros de alumínio de pureza maior que 99,99% e as energia média dos feixes de radiação foram

derivadas a partir daqueles de energia média das qualidades de radiação especificadas pela Deutsches Institut für Normung [7].

Um sistema de medida constituído de um eletrômetro NE, modelo 2670-A e uma câmara de ionização PTW, modelo 2532/3C, foi utilizado para dosimetria das qualidades de radiação em estudo.

Tabela 1. Qualidades de raios-X adotadas para irradiar os sistemas dosimétricos utilizados neste trabalho.

Potencial(kV)

Filtração Adicional(mm Al)

Camada Semi-

Redutora(mm Al)

Energia Média(keV)

30 0,447 0,370 19,750 0,894 1,021 29,470 3,965 3,110 42,1

100 4,164 4,520 52,2Filtração inerente igual a 1 mm A

Um espectrofotômetro Beckman Coulter DU 640 foi utilizado para medida da densidade óptica da solução Fricke submetida ao feixe de irradiação. A solução Fricke foi sintetizada com 0,392 g de sulfato ferroso amoniacal hexa-hidratado P. A. (10-3), 0,060 g de cloreto de sódio P. A. (10-3), e 22 mL de ácido sulfúrico concentrado P. A. diluídos em água Milli-Q (18.2 M.cm) num balão volumétrico aferido em 1.000 mL (correspondendo a uma massa total igual a 1.022,7 g). O sistema água-ácido foi previamente irradiado com uma dose de radiação igual a 10 Gy para eliminação de impurezas[8].

Em seguida foram transferidos individualmente 3,5 mL da solução obtida para tubos plásticos do tipo “vacutainer” com capacidade para 6 mL e esterelizados com radiação.

O arranjo experimental para irradiação da câmara de ionização bem como dos tubos contendo a solução Fricke são apresentados na Figura 1. Tanto a câmara de ionização como os

tubos contendo a solução Fricke foram posicionados na superfície de um simulador de plexiglass com dimensões de 11 cm x 11 x cm x 8 cm. Finalmente, ambos os sistemas de medidas foram irradiados com as qualidades de radiação apresentadas na Tabela 1.

Figura 1. Montagem do sistema para irradiação da câmara de placas paralelas e do dosímetro Fricke.

A câmara de ionização foi posicionada no interior do simulador de plexiglass com o centro da superfície da janela de entrada (volume sensível) perpendicular ao eixo central do feixe de radiação. O valor da dose absorvida na água, DW, em Grays (Gy) foi obtido a partir da média de cinco leituras, MP, do sistema de medida pela Eq. (1).

DW = ND * MP * K (1)onde,

ND fator de calibração em termos de dose absorvida na água

MP leitura do sistema de medida em unidades de escala (u.e.), quando a câmara está posicionada no interior do simulador de lucite

K fator de correção para a densidade do ar para as condições referenciais de temperatura e pressão (20,00 C e 101,33 kPa), foi calculado pela Eq. (2).

(2)

onde, T e P são respectivamente, a temperatura em oC e a pressão em kPa na área vicinal à câmara durante a medida.

Os tubos contendo a solução Fricke foram posicionados em uma forma semi-encrustada na superfície de um simulador de plexiglass (11 cm x 11 cm x 8 cm) a 50,0 cm de distância do ponto focal do aparelho de raios-X, conforme apresentado na Figura 1b. O centro geométrico do volume da solução Fricke foi tomado como ponto de referência do detetor. Os dosímetros Fricke foram irradiados com um campo circular de 5 cm de diâmetro e uma dose de radiação, igual a 40,0 Gy, determinadas com a câmara de ionização.

A determinação da dose absorvida na água com o dosímetro Fricke foi levada a efeito de acordo com as recomendações da Agência Internacional de Energia Atômica, TRS 178 [9], conforme especificado na Eq. (3) [8],[9].

(3)

(4)

(5)

onde ∆DO é a variação na densidade óptica da solução irradiada em relação à da não irradiada no pico de absorção máxima do Fe3+ (304 nm), NA é o número de Avogadro (6,022 x 1023 mol-1), G(Fe3+) é o rendimento químico para a energia da irradiação, é o coeficiente de extinção molar, d é o caminho óptico, é a densidade da solução Fricke, T i

é a temperatura da solução durante a irradiação, e Tl é a temperatura da solução durante a medida, ambas em oC.

Neste trabalho foram assumidos os valores de 218,7 m2 mol-1 para o coeficiente de extinção molar, do Fe3+ na temperatura de referência 25 oC [10], e de 1022,7 kg.m-3

para a densidade da solução Fricke [8]. Além disso, a cuveta utilizada na determinação espectrofotométrica correspondeu a um caminho óptico de 0,010 m e os fatores f1 e f2

são aqueles descritos por A. Olszanski et al [8]. Finalmente os valores do rendimentos químico G(Fe3+), são aqueles recomendados pela ICRU para dosimetria das radiações geradas por potenciais entre 5 e 150 kV [11], mostrados na Figura 2 e especificados para as qualidades de radiação utilizadas neste trabalho na Tabela 2.

Por exemplo, para a qualidade de radiação gerado por um potencial de 70 kV, a

dose absorvida pode ser calculada pela Eq. (6).

(6)

Figura 2. Valores do rendimento químico, G(Fe3+), ajustados a partir dos dados recomendados pela ICRU para dosimetria das radiações geradas por potenciais entre 5 e 150 kV [11].

Tabela 2. Valores do rendimento químico, G, utilizados para calcular as doses de radiação determinadas com o dosímetro Fricke.

Potencial(kV)

G(Fe3+)x1017J-1

30 8,6150 8,8070 8,93

100 8,99

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 3 mostra os valores de dose absorvida na água avaliadas com a câmara de ionização e com o dosímetro Fricke para as qualidades de radiação apresentadas na Tabela 1.

Figura 3. Resposta do dosímetro Fricke em função da energia da radiação para doses de 40 Gy.

Nenhum estudo foi feito acerca da avaliação da incerteza total na determinação da dose absorvida com a câmara de ionização e com o dosímetro Fricke. Contudo, baseado na incerteza do fator de calibração da câmara de ionização (3,5%) e na estabilidade a longo prazo do dosímetro Fricke (3%), e admitindo-se a incerteza total como a raiz quadrada da soma dos quadrados dos componentes de incerteza, espera-se que o desvio entre os valores de dose determinados por ambos os sistemas de medidas não exceda 4,6%.

Para as qualidades de radiação geradas por potências de tubo entre 70 e 100 kV (42,1 – 52,2 keV), as doses de radiação avaliadas com o dosímetro Fricke coincidem com aquelas doses determinadas com a câmara de ionização em 3,6% o qual está dentro da incerteza total de ambos sistemas de medidas (4,6%). Para as qualidades de radiação correspondentes a 50 e 30 kV (29,4 – 19,7 keV) os valores das doses determinadas com o dosímetro Fricke subestimam aqueles avaliados com a câmara de ionização em cerca de 18 e 51%, respectivamente. Tal fato decorre da atenuação do feixe de radiação ao atravessar a parede do tubo de ensaio, bem como do gradiente de dose o qual é devido à presença da própria solução Fricke.

A qualidade de radiação de 70 kV foi padronizada para a manutenção dos fatores de calibração dos padrões do CRCN pelas seguintes razões: (a) se localiza em uma região onde a resposta do dosímetro Fricke apresenta uma dependência energética relativamente baixa e, (b) apresenta uma camada semi-redutora mais próxima da qualidade de radiação de energia mais alta utilizada pelo Laboratório Nacional de Metrologia das Radiações Ionizantes que adota as qualidades de referência para calibração de câmaras de ionização do BIPM [12]

Aparelhos de raios-X terapêuticos operam com altas taxas de dose, o que possibilita a utilização do dosímetro Fricke na dosimetria desses equipamentos. Além disso, os constituintes do sistema de dosimetria Fricke, um simulador sólido e um tubo de ensaio contendo a solução dosimétrica, apresentam dimensões reduzidas e podem ser facilmente enviados pelo correio para dosimetria via postal. A adoção desse procedimento viabilizaria a realização de um amplo controle dosimétrico dos centros de terapia com custos significativamente reduzidos, quando comparados com os dos processos convencionais de fiscalização praticados pela CNEN.

Os efeitos da atenuação que sofre o feixe de radiação ao atravessar a parede do tubo de

ensaio e do gradiente de dose que é causado pela própria solução Fricke podem ser avaliados pela técnica de modelagem de Monte Carlo. Por esta técnica, seriam obtidos fatores de correção que viabilizariam a utilização do dosímetro Fricke nas energias mais baixas.

CONCLUSÕESEm função dos resultados obtidos, pode-

se concluir que:

Para a faixa de energia de 42 a 52 keV, o dosímetro Fricke pode ser utilizado para manutenção do fatores de calibração de padrões de medidas de baixa energia e verificação via postal do rendimento de aparelhos de raios-X terapêuticos.

A modelagem por Monte Carlo pode ser adotada para a correção do efeito de atenuação do feixe de radiação causado pela parede do tubo que contém a solução Fricke, e o deslocamento do ponto central de medida devido ao gradiente de dose na solução dosimétrica.

Medidas com o dosímetro Fricke com diferentes tamanhos de campo de radiação devem ser realizadas para a avaliação dessa grandeza de influência.

REFERÊNCIAS

[1] ACS 83 American Cancer Society “Clinical Oncology – A Multidisciplinary Approach”, Sixth Edition, American Cancer Society, 1984, New York, USA.

[2] Comissão Nacional de Energia Nuclear, “Licenciamento de Instalações Radiativas” CNEN NE-6.02, Rio de Janeiro, Brasil, 1984.

[3] IAEA TRS 110 International Atomic Energy Agency, “Manuall of Dosimetry in Radiotherapy”, TRS 110, IAEA Publication, Viena, 1970.

3[4] Luiz Rosa, Rosa, L.A.R. Rosa, 2004, Comunicação privada, Serviço de Física Médica de Radioterapia e Medicina Nuclear, Instituto de Radioproteção e Dosimetria, CNEN, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2004

[5] Comissão Nacional de Energia Nuclear, “Normas Básicas de Proteção Radiológica, Diário Oficial, Nr. 180, Seção I, Parte II-6, 1973.

[6] DIN 6809, “German Standard, Application of X-rays with Tube Voltage between 10 and 100 kV in Radiotherapy and soft Tissue Diagnostics”. DIN 6809, Part 4, Deutsches Institut für Normung, Berlin, 1998.

[7] Deutsches Institut für Normung, “Dosimeter mit Ionisationskammern für Photonen- und Elektronenstrahlung zur Verwendung in der Strahlentherapie; Regeln für dir Herstellung”, Berlin, DIN 6817, 1984.

[8] IRS 2002, A. Olszanski, A., Klassen, N. V., Ross C. K., and Shortt, K. R., “The IRS Fricke Dosimetry System”, Ionizing Radiation Standards, Institute for National Measurement Standards, National Research Council, PIRS-0815, Ottawa, Ontario, 2002.

[9] IAEA77 International Atomic Energy Agency, “Manual of Food Irradiation Dosimetry”, TRS 178, IAEA, Vienna, 1977.

[10] Attix 86 Attix, F.H., “Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry”, Wiley-Intersciende Publication, USA, 1986.

[11] ICRU70 International Commission on Radiation Units and Measurements, “Radiation

dosimetry: X-Rays Generated at Potententials of 5 to 150 kV”, ICRU Publications, Washington .C., USA, 1970.

[12], “Boutillon, M; Allisy-Roberts, P.J. & Burns, D.T.. “Measuring Conditions Used for the Calibration of Ionization Chambers at BIPM” Raport BIPM-01/04, Bureau International des Poids et Mesures, Sèvres, 2001.