ESTUDO DA INFLUEcircNCIA DO TAMANHO DE CAMPO DE UM FEIXE DE

NEcircUTRONS EPITEacuteRMICOS NA DISTRIBUICcedilAtildeO DE DOSE EM BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

Dissertaccedilatildeo de Mestrado apresentada ao

Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em

Engenharia Nuclear COPPE da

Universidade Federal do Rio de Janeiro

como parte dos requisitos necessaacuterios agrave

obtenccedilatildeo do tiacutetulo de Mestre em

Engenharia Nuclear

Orientador Ademir Xavier da Silva

Rio de Janeiro

Setembro de 2009

ESTUDO DA INFLUEcircNCIA DO TAMANHO DE CAMPO DE UM FEIXE DE

NEcircUTRONS EPITEacuteRMICOS NA DISTRIBUICcedilAtildeO DE DOSE EM BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

DISSERTACcedilAtildeO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO

LUIZ COIMBRA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO E PESQUISA DE ENGENHARIA

(COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE

DOS REQUISITOS NECESSAacuteRIOS PARA A OBTENCcedilAtildeO DO GRAU DE MESTRE

EM CIEcircNCIAS EM ENGENHARIA NUCLEAR

Aprovada por

________________________________________

Prof Ademir Xavier da Silva DSc

________________________________________

Profa Verginia Reis Crispim DSc

________________________________________

Prof Wilson Freitas Rebello da Silva Junior DSc

RIO DE JANEIRO RJ - BRASIL

SETEMBRO DE 2009

i

Pereira Leandro de Oliveira

Estudo da influecircncia do tamanho de campo de um

feixe de necircutrons epiteacutermicos na distribuiccedilatildeo de dose em

BNCT Leandro de Oliveira Pereira ndash Rio de Janeiro

UFRJCOPPE 2009

IX 53 p il 297 cm

Orientador Ademir Xavier da Silva

Dissertaccedilatildeo ndash UFRJ COPPE Programa de

Engenharia Nuclear 2009

Referencias Bibliograacuteficas p 49-53

1 BNCT 2 Fantoma de voxel 3 MCNP 4

Dosimetria I Silva Ademir Xavier da II Universidade

Federal do Rio de Janeiro COPPE Programa de Engenharia

Nuclear III Titulo

ii

A minha esposa Juliana Barbosa

A minha filha Letiacutecia Laxmi

Aos meus avoacutes Francelino e Carmeacutelia (in memoriam)

iii

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus pois sem o consentimento dele eu natildeo teria conseguido

Ao professor Ademir Xavier da Silva por sua orientaccedilatildeo pelo auxiacutelio e amizade

durante a elaboraccedilatildeo deste trabalho e por permitir o desenvolvimento desta dissertaccedilatildeo

Ao professor Edmilson Monteiro de Souza por sua grande contribuiccedilatildeo essencial agrave

realizaccedilatildeo desse trabalho

Aos amigos do Laboratoacuterio de Neutrongrafia em Tempo Real pelo incentivo

apoio amizade e pelos momentos de descontraccedilatildeo essenciais para o desenvolvimento

deste trabalho

Aos amigos de trabalho e meus alunos que sempre compreenderam quando eu

necessitei faltar para elaborar este trabalho

Ao amigo Jayr Avellar por ser o professor que me inspirou a seguir no caminho da

ciecircncia

Ao grande amigo e parceiro de estudos Renato Freitas por me incentivar e me

apoiar durante a graduaccedilatildeo e mestrado

A tantos outros que direta e indiretamente ajudaram ocasionalmente com dicas e

conselhos permitindo que este trabalho pudesse ser concluiacutedo

iv

Resumo da Dissertaccedilatildeo apresentada agrave COPPE UFRJ como parte dos requisitos

necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau em Mestre em Ciecircncias (MSc)

ESTUDO DA INFLUEcircNCIA DO TAMANHO DE CAMPO DE UM FEIXE DE

NEcircUTRONS EPITEacuteRMICOS NA DISTRIBUICcedilAtildeO DE DOSE EM BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

Setembro2009

Orientador Ademir Xavier da Silva

Programa Engenharia Nuclear

Este trabalho apresenta um estudo da influecircncia do tamanho de campo de um feixe

de necircutrons epiteacutermicos na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT utilizando

um simulador antropomoacuterfico de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel Para o caacutelculo

das doses nos tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um feixe de

espectro idealizado proposto na literatura foi utilizado o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNP baseado no meacutetodo de Monte Carlo Os resultados obtidos sugerem a

possibilidade da utilizaccedilatildeo de um feixe de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores

nas regiotildees do lobo frontal e parietal sem a realizaccedilatildeo de craniotomia Com um feixe de

10 cm de diacircmetro tratar tumores localizados nas regiotildees lobo frontal lobo parietal e o

taacutelamo e com de 20 cm os localizados no lobo frontal lobo occipital lobo parietal e

taacutelamo O trabalho mostra ainda que a contribuiccedilatildeo das componentes secundaacuterias (raios

gama necircutrons raacutepidos e teacutermicos) no caacutelculo da dose total pode resultar em ateacute 15 da

dose no tecido tumoral 68 da dose no tecido cerebral sadio e 87 da dose nas regiotildees

natildeo cefaacutelicas

v

Abstract of Dissertation presented to COPPEUFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (MSc)

STUDY THE INFLUENCE OF THE SIZE OF A FIELD EPITHERMAL NEUTRON

BEAM DISTRIBUTION OF DOSE IN BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

September 2009

Advisior Ademir Xavier da Silva

Department Nuclear Engineering

This work presents a study of the influence of field size of an epithermal neutron

beam in the dose distribution in treatments with BNCT using an anthropomorphic

phantom head and neck based on voxel For the calculation of doses to tissues and

organs of the head according to the diameter of an idealized beam spectrum proposed

in the literature we used the code MCNP radiation transport based on the Monte Carlo

method The results showed that it is possible to use a beam of 6 cm in diameter for

tumors in regions of the frontal and parietal lobe without performing a craniotomy

With a beam of 10 cm in diameter treat tumors located in the regions the frontal lobe

parietal lobe and the thalamus and 20 cm located in the frontal lobe occipital lobe

parietal lobe and pons The work also shows that the contribution of secondary

components (gamma rays fast and thermal neutrons) in calculating the total dose can

result in up to 15 of the dose in tumor tissue 68 of the dose in healthy brain tissue

and 87 of the dose in not cephalic regions

vi

IacuteNDICE

Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 1

11 Revisatildeo bibliograacutefica 3

12 Objetivos 7

Capiacutetulo 2 Introduccedilatildeo Teoacuterica 8

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energia 9

22 Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano 10

23 Conceitos da BNCT 13

24 Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 16

241 Dose Absorvida 16

242 Fluecircncia 16

243 Kerma 17

245 Dose Equivalente 18

25 O coacutedigo Monte Carlo MCNP 20

Capiacutetulo 3 Modelagem do Sistema 22

31 O Fantoma em voxel ZUBAL 25

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo 28

33 Espectro de Necircutrons para BNCT 30

34 Calculo da dose 31

Capiacutetulo 4 Resultados 33

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro 33

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total

para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores 38

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas 43

Capiacutetulo 5 Conclusotildees 47

51 Componentes secundaacuterias de dose 47

52 Recomendaccedilatildeo 48

Referecircncias bibliograacuteficas 49

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 221 Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron

para o tecido cerebral 11

Figura 231 Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido

na reaccedilatildeo 10B(nα)7L 13

Figura 232 O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons

epiteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas

tumorais

14

Figura 31 Localizaccedilatildeo das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido

cefaacutelico 24

Figura 32 Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) 28

Figura 33 Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado 29

Figura 34 Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por

GOORLEY e colaboradores 30

Figura 41 Doses maacuteximas ministradas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro 33

Figura 42 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro 34

Figura 43 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro 34

Figura 44 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 6 cm de diacircmetro

38

Figura 45 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 10 cm de diacircmetro

39

Figura 46 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 20 cm de diacircmetro

39

Figura 47 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao

feixe de 6 cm de diacircmetro

41

viii

Figura 48 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

10 cm de diacircmetro

41

Figura 49 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

20 cm de diacircmetro

42

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 21 Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose

em BNCT 20

Tabela 31 Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de

campo 23

Tabela 32 Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro 24

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais

que constituem o fantoma Zubal 27

Tabela 42 Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em

funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados 36

Tabela 43 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro 43

Tabela 44 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro 44

Tabela 45 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro 44

1

Capiacutetulo1

Introduccedilatildeo

As aplicaccedilotildees de necircutrons para terapia de cacircncer tecircm sido um alvo de interesse

cliacutenico e cientiacutefico desde a sua descoberta por Chadwick em 1932 [1] A Terapia por

Captura de Necircutrons por Boro (do inglecircs Boron Neutron Capture Therapy ndash BNCT) eacute

um tipo de radioterapia para tratamento de cacircncer e o seu sucesso depende da deposiccedilatildeo

de boro (10B) nas ceacutelulas tumorais seguida pela irradiaccedilatildeo por necircutrons resultando na

produccedilatildeo de partiacuteculas ionizantes que causam a morte da ceacutelula canceriacutegena

Esta terapia eacute usada atualmente para o tratamento de tumores de ceacuterebro

(glioblastoma multiforme) pele entre outros [2] Na BNCT um agente de entrega

seletiva ldquocarregadorrdquo eacute utilizado para depositar o boro (10B) nas ceacutelulas canceriacutegenas A

reaccedilatildeo nuclear (10B(n α)7Li) produzida quando o 10B captura um necircutron com energia

da ordem de 0025 eV chamado de necircutron teacutermico libera dois fragmentos de curto

alcance no tecido da ordem de 9 miacutecrons para a partiacutecula alfa e 5 miacutecrons para o liacutetio

Desta forma eles liberam suas energias no interior das ceacutelulas cancerosas

Na maioria dos estudos realizados satildeo usados os necircutrons oriundos de reatores

nucleares [2] O tratamento de astrocitomas de alto grau eacute atualmente o principal campo

de atuaccedilatildeo da BNCT Estes tumores originam-se em ceacutelulas suporte dos neurocircnios as

ceacutelulas gliais Essas ceacutelulas sofrem frequumlentemente mitose e satildeo suscetiacuteveis a um

acuacutemulo de danos e consequumlentemente o aparecimento de ceacutelulas cancerosas [34]

Esses tumores compreendem cerca de 40 de todos os tumores cerebrais e provocam

grandes mudanccedilas na aparecircncia das ceacutelulas normais [5] Quando essas mudanccedilas

celulares satildeo acompanhadas de necroses daacute-se o nome glioblastoma multiforme (GBM)

a este tipo de astrocitoma maligno O GBM eacute considerado um neoplasma maligno

2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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Publicaccedilotildees 1991

ESTUDO DA INFLUEcircNCIA DO TAMANHO DE CAMPO DE UM FEIXE DE

NEcircUTRONS EPITEacuteRMICOS NA DISTRIBUICcedilAtildeO DE DOSE EM BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

DISSERTACcedilAtildeO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO

LUIZ COIMBRA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO E PESQUISA DE ENGENHARIA

(COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE

DOS REQUISITOS NECESSAacuteRIOS PARA A OBTENCcedilAtildeO DO GRAU DE MESTRE

EM CIEcircNCIAS EM ENGENHARIA NUCLEAR

Aprovada por

________________________________________

Prof Ademir Xavier da Silva DSc

________________________________________

Profa Verginia Reis Crispim DSc

________________________________________

Prof Wilson Freitas Rebello da Silva Junior DSc

RIO DE JANEIRO RJ - BRASIL

SETEMBRO DE 2009

i

Pereira Leandro de Oliveira

Estudo da influecircncia do tamanho de campo de um

feixe de necircutrons epiteacutermicos na distribuiccedilatildeo de dose em

BNCT Leandro de Oliveira Pereira ndash Rio de Janeiro

UFRJCOPPE 2009

IX 53 p il 297 cm

Orientador Ademir Xavier da Silva

Dissertaccedilatildeo ndash UFRJ COPPE Programa de

Engenharia Nuclear 2009

Referencias Bibliograacuteficas p 49-53

1 BNCT 2 Fantoma de voxel 3 MCNP 4

Dosimetria I Silva Ademir Xavier da II Universidade

Federal do Rio de Janeiro COPPE Programa de Engenharia

Nuclear III Titulo

ii

A minha esposa Juliana Barbosa

A minha filha Letiacutecia Laxmi

Aos meus avoacutes Francelino e Carmeacutelia (in memoriam)

iii

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus pois sem o consentimento dele eu natildeo teria conseguido

Ao professor Ademir Xavier da Silva por sua orientaccedilatildeo pelo auxiacutelio e amizade

durante a elaboraccedilatildeo deste trabalho e por permitir o desenvolvimento desta dissertaccedilatildeo

Ao professor Edmilson Monteiro de Souza por sua grande contribuiccedilatildeo essencial agrave

realizaccedilatildeo desse trabalho

Aos amigos do Laboratoacuterio de Neutrongrafia em Tempo Real pelo incentivo

apoio amizade e pelos momentos de descontraccedilatildeo essenciais para o desenvolvimento

deste trabalho

Aos amigos de trabalho e meus alunos que sempre compreenderam quando eu

necessitei faltar para elaborar este trabalho

Ao amigo Jayr Avellar por ser o professor que me inspirou a seguir no caminho da

ciecircncia

Ao grande amigo e parceiro de estudos Renato Freitas por me incentivar e me

apoiar durante a graduaccedilatildeo e mestrado

A tantos outros que direta e indiretamente ajudaram ocasionalmente com dicas e

conselhos permitindo que este trabalho pudesse ser concluiacutedo

iv

Resumo da Dissertaccedilatildeo apresentada agrave COPPE UFRJ como parte dos requisitos

necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau em Mestre em Ciecircncias (MSc)

ESTUDO DA INFLUEcircNCIA DO TAMANHO DE CAMPO DE UM FEIXE DE

NEcircUTRONS EPITEacuteRMICOS NA DISTRIBUICcedilAtildeO DE DOSE EM BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

Setembro2009

Orientador Ademir Xavier da Silva

Programa Engenharia Nuclear

Este trabalho apresenta um estudo da influecircncia do tamanho de campo de um feixe

de necircutrons epiteacutermicos na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT utilizando

um simulador antropomoacuterfico de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel Para o caacutelculo

das doses nos tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um feixe de

espectro idealizado proposto na literatura foi utilizado o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNP baseado no meacutetodo de Monte Carlo Os resultados obtidos sugerem a

possibilidade da utilizaccedilatildeo de um feixe de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores

nas regiotildees do lobo frontal e parietal sem a realizaccedilatildeo de craniotomia Com um feixe de

10 cm de diacircmetro tratar tumores localizados nas regiotildees lobo frontal lobo parietal e o

taacutelamo e com de 20 cm os localizados no lobo frontal lobo occipital lobo parietal e

taacutelamo O trabalho mostra ainda que a contribuiccedilatildeo das componentes secundaacuterias (raios

gama necircutrons raacutepidos e teacutermicos) no caacutelculo da dose total pode resultar em ateacute 15 da

dose no tecido tumoral 68 da dose no tecido cerebral sadio e 87 da dose nas regiotildees

natildeo cefaacutelicas

v

Abstract of Dissertation presented to COPPEUFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (MSc)

STUDY THE INFLUENCE OF THE SIZE OF A FIELD EPITHERMAL NEUTRON

BEAM DISTRIBUTION OF DOSE IN BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

September 2009

Advisior Ademir Xavier da Silva

Department Nuclear Engineering

This work presents a study of the influence of field size of an epithermal neutron

beam in the dose distribution in treatments with BNCT using an anthropomorphic

phantom head and neck based on voxel For the calculation of doses to tissues and

organs of the head according to the diameter of an idealized beam spectrum proposed

in the literature we used the code MCNP radiation transport based on the Monte Carlo

method The results showed that it is possible to use a beam of 6 cm in diameter for

tumors in regions of the frontal and parietal lobe without performing a craniotomy

With a beam of 10 cm in diameter treat tumors located in the regions the frontal lobe

parietal lobe and the thalamus and 20 cm located in the frontal lobe occipital lobe

parietal lobe and pons The work also shows that the contribution of secondary

components (gamma rays fast and thermal neutrons) in calculating the total dose can

result in up to 15 of the dose in tumor tissue 68 of the dose in healthy brain tissue

and 87 of the dose in not cephalic regions

vi

IacuteNDICE

Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 1

11 Revisatildeo bibliograacutefica 3

12 Objetivos 7

Capiacutetulo 2 Introduccedilatildeo Teoacuterica 8

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energia 9

22 Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano 10

23 Conceitos da BNCT 13

24 Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 16

241 Dose Absorvida 16

242 Fluecircncia 16

243 Kerma 17

245 Dose Equivalente 18

25 O coacutedigo Monte Carlo MCNP 20

Capiacutetulo 3 Modelagem do Sistema 22

31 O Fantoma em voxel ZUBAL 25

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo 28

33 Espectro de Necircutrons para BNCT 30

34 Calculo da dose 31

Capiacutetulo 4 Resultados 33

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro 33

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total

para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores 38

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas 43

Capiacutetulo 5 Conclusotildees 47

51 Componentes secundaacuterias de dose 47

52 Recomendaccedilatildeo 48

Referecircncias bibliograacuteficas 49

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 221 Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron

para o tecido cerebral 11

Figura 231 Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido

na reaccedilatildeo 10B(nα)7L 13

Figura 232 O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons

epiteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas

tumorais

14

Figura 31 Localizaccedilatildeo das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido

cefaacutelico 24

Figura 32 Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) 28

Figura 33 Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado 29

Figura 34 Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por

GOORLEY e colaboradores 30

Figura 41 Doses maacuteximas ministradas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro 33

Figura 42 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro 34

Figura 43 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro 34

Figura 44 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 6 cm de diacircmetro

38

Figura 45 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 10 cm de diacircmetro

39

Figura 46 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 20 cm de diacircmetro

39

Figura 47 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao

feixe de 6 cm de diacircmetro

41

viii

Figura 48 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

10 cm de diacircmetro

41

Figura 49 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

20 cm de diacircmetro

42

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 21 Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose

em BNCT 20

Tabela 31 Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de

campo 23

Tabela 32 Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro 24

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais

que constituem o fantoma Zubal 27

Tabela 42 Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em

funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados 36

Tabela 43 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro 43

Tabela 44 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro 44

Tabela 45 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro 44

1

Capiacutetulo1

Introduccedilatildeo

As aplicaccedilotildees de necircutrons para terapia de cacircncer tecircm sido um alvo de interesse

cliacutenico e cientiacutefico desde a sua descoberta por Chadwick em 1932 [1] A Terapia por

Captura de Necircutrons por Boro (do inglecircs Boron Neutron Capture Therapy ndash BNCT) eacute

um tipo de radioterapia para tratamento de cacircncer e o seu sucesso depende da deposiccedilatildeo

de boro (10B) nas ceacutelulas tumorais seguida pela irradiaccedilatildeo por necircutrons resultando na

produccedilatildeo de partiacuteculas ionizantes que causam a morte da ceacutelula canceriacutegena

Esta terapia eacute usada atualmente para o tratamento de tumores de ceacuterebro

(glioblastoma multiforme) pele entre outros [2] Na BNCT um agente de entrega

seletiva ldquocarregadorrdquo eacute utilizado para depositar o boro (10B) nas ceacutelulas canceriacutegenas A

reaccedilatildeo nuclear (10B(n α)7Li) produzida quando o 10B captura um necircutron com energia

da ordem de 0025 eV chamado de necircutron teacutermico libera dois fragmentos de curto

alcance no tecido da ordem de 9 miacutecrons para a partiacutecula alfa e 5 miacutecrons para o liacutetio

Desta forma eles liberam suas energias no interior das ceacutelulas cancerosas

Na maioria dos estudos realizados satildeo usados os necircutrons oriundos de reatores

nucleares [2] O tratamento de astrocitomas de alto grau eacute atualmente o principal campo

de atuaccedilatildeo da BNCT Estes tumores originam-se em ceacutelulas suporte dos neurocircnios as

ceacutelulas gliais Essas ceacutelulas sofrem frequumlentemente mitose e satildeo suscetiacuteveis a um

acuacutemulo de danos e consequumlentemente o aparecimento de ceacutelulas cancerosas [34]

Esses tumores compreendem cerca de 40 de todos os tumores cerebrais e provocam

grandes mudanccedilas na aparecircncia das ceacutelulas normais [5] Quando essas mudanccedilas

celulares satildeo acompanhadas de necroses daacute-se o nome glioblastoma multiforme (GBM)

a este tipo de astrocitoma maligno O GBM eacute considerado um neoplasma maligno

2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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Publicaccedilotildees 1991

i

Pereira Leandro de Oliveira

Estudo da influecircncia do tamanho de campo de um

feixe de necircutrons epiteacutermicos na distribuiccedilatildeo de dose em

BNCT Leandro de Oliveira Pereira ndash Rio de Janeiro

UFRJCOPPE 2009

IX 53 p il 297 cm

Orientador Ademir Xavier da Silva

Dissertaccedilatildeo ndash UFRJ COPPE Programa de

Engenharia Nuclear 2009

Referencias Bibliograacuteficas p 49-53

1 BNCT 2 Fantoma de voxel 3 MCNP 4

Dosimetria I Silva Ademir Xavier da II Universidade

Federal do Rio de Janeiro COPPE Programa de Engenharia

Nuclear III Titulo

ii

A minha esposa Juliana Barbosa

A minha filha Letiacutecia Laxmi

Aos meus avoacutes Francelino e Carmeacutelia (in memoriam)

iii

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus pois sem o consentimento dele eu natildeo teria conseguido

Ao professor Ademir Xavier da Silva por sua orientaccedilatildeo pelo auxiacutelio e amizade

durante a elaboraccedilatildeo deste trabalho e por permitir o desenvolvimento desta dissertaccedilatildeo

Ao professor Edmilson Monteiro de Souza por sua grande contribuiccedilatildeo essencial agrave

realizaccedilatildeo desse trabalho

Aos amigos do Laboratoacuterio de Neutrongrafia em Tempo Real pelo incentivo

apoio amizade e pelos momentos de descontraccedilatildeo essenciais para o desenvolvimento

deste trabalho

Aos amigos de trabalho e meus alunos que sempre compreenderam quando eu

necessitei faltar para elaborar este trabalho

Ao amigo Jayr Avellar por ser o professor que me inspirou a seguir no caminho da

ciecircncia

Ao grande amigo e parceiro de estudos Renato Freitas por me incentivar e me

apoiar durante a graduaccedilatildeo e mestrado

A tantos outros que direta e indiretamente ajudaram ocasionalmente com dicas e

conselhos permitindo que este trabalho pudesse ser concluiacutedo

iv

Resumo da Dissertaccedilatildeo apresentada agrave COPPE UFRJ como parte dos requisitos

necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau em Mestre em Ciecircncias (MSc)

ESTUDO DA INFLUEcircNCIA DO TAMANHO DE CAMPO DE UM FEIXE DE

NEcircUTRONS EPITEacuteRMICOS NA DISTRIBUICcedilAtildeO DE DOSE EM BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

Setembro2009

Orientador Ademir Xavier da Silva

Programa Engenharia Nuclear

Este trabalho apresenta um estudo da influecircncia do tamanho de campo de um feixe

de necircutrons epiteacutermicos na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT utilizando

um simulador antropomoacuterfico de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel Para o caacutelculo

das doses nos tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um feixe de

espectro idealizado proposto na literatura foi utilizado o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNP baseado no meacutetodo de Monte Carlo Os resultados obtidos sugerem a

possibilidade da utilizaccedilatildeo de um feixe de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores

nas regiotildees do lobo frontal e parietal sem a realizaccedilatildeo de craniotomia Com um feixe de

10 cm de diacircmetro tratar tumores localizados nas regiotildees lobo frontal lobo parietal e o

taacutelamo e com de 20 cm os localizados no lobo frontal lobo occipital lobo parietal e

taacutelamo O trabalho mostra ainda que a contribuiccedilatildeo das componentes secundaacuterias (raios

gama necircutrons raacutepidos e teacutermicos) no caacutelculo da dose total pode resultar em ateacute 15 da

dose no tecido tumoral 68 da dose no tecido cerebral sadio e 87 da dose nas regiotildees

natildeo cefaacutelicas

v

Abstract of Dissertation presented to COPPEUFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (MSc)

STUDY THE INFLUENCE OF THE SIZE OF A FIELD EPITHERMAL NEUTRON

BEAM DISTRIBUTION OF DOSE IN BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

September 2009

Advisior Ademir Xavier da Silva

Department Nuclear Engineering

This work presents a study of the influence of field size of an epithermal neutron

beam in the dose distribution in treatments with BNCT using an anthropomorphic

phantom head and neck based on voxel For the calculation of doses to tissues and

organs of the head according to the diameter of an idealized beam spectrum proposed

in the literature we used the code MCNP radiation transport based on the Monte Carlo

method The results showed that it is possible to use a beam of 6 cm in diameter for

tumors in regions of the frontal and parietal lobe without performing a craniotomy

With a beam of 10 cm in diameter treat tumors located in the regions the frontal lobe

parietal lobe and the thalamus and 20 cm located in the frontal lobe occipital lobe

parietal lobe and pons The work also shows that the contribution of secondary

components (gamma rays fast and thermal neutrons) in calculating the total dose can

result in up to 15 of the dose in tumor tissue 68 of the dose in healthy brain tissue

and 87 of the dose in not cephalic regions

vi

IacuteNDICE

Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 1

11 Revisatildeo bibliograacutefica 3

12 Objetivos 7

Capiacutetulo 2 Introduccedilatildeo Teoacuterica 8

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energia 9

22 Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano 10

23 Conceitos da BNCT 13

24 Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 16

241 Dose Absorvida 16

242 Fluecircncia 16

243 Kerma 17

245 Dose Equivalente 18

25 O coacutedigo Monte Carlo MCNP 20

Capiacutetulo 3 Modelagem do Sistema 22

31 O Fantoma em voxel ZUBAL 25

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo 28

33 Espectro de Necircutrons para BNCT 30

34 Calculo da dose 31

Capiacutetulo 4 Resultados 33

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro 33

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total

para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores 38

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas 43

Capiacutetulo 5 Conclusotildees 47

51 Componentes secundaacuterias de dose 47

52 Recomendaccedilatildeo 48

Referecircncias bibliograacuteficas 49

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 221 Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron

para o tecido cerebral 11

Figura 231 Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido

na reaccedilatildeo 10B(nα)7L 13

Figura 232 O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons

epiteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas

tumorais

14

Figura 31 Localizaccedilatildeo das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido

cefaacutelico 24

Figura 32 Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) 28

Figura 33 Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado 29

Figura 34 Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por

GOORLEY e colaboradores 30

Figura 41 Doses maacuteximas ministradas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro 33

Figura 42 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro 34

Figura 43 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro 34

Figura 44 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 6 cm de diacircmetro

38

Figura 45 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 10 cm de diacircmetro

39

Figura 46 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 20 cm de diacircmetro

39

Figura 47 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao

feixe de 6 cm de diacircmetro

41

viii

Figura 48 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

10 cm de diacircmetro

41

Figura 49 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

20 cm de diacircmetro

42

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 21 Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose

em BNCT 20

Tabela 31 Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de

campo 23

Tabela 32 Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro 24

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais

que constituem o fantoma Zubal 27

Tabela 42 Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em

funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados 36

Tabela 43 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro 43

Tabela 44 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro 44

Tabela 45 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro 44

1

Capiacutetulo1

Introduccedilatildeo

As aplicaccedilotildees de necircutrons para terapia de cacircncer tecircm sido um alvo de interesse

cliacutenico e cientiacutefico desde a sua descoberta por Chadwick em 1932 [1] A Terapia por

Captura de Necircutrons por Boro (do inglecircs Boron Neutron Capture Therapy ndash BNCT) eacute

um tipo de radioterapia para tratamento de cacircncer e o seu sucesso depende da deposiccedilatildeo

de boro (10B) nas ceacutelulas tumorais seguida pela irradiaccedilatildeo por necircutrons resultando na

produccedilatildeo de partiacuteculas ionizantes que causam a morte da ceacutelula canceriacutegena

Esta terapia eacute usada atualmente para o tratamento de tumores de ceacuterebro

(glioblastoma multiforme) pele entre outros [2] Na BNCT um agente de entrega

seletiva ldquocarregadorrdquo eacute utilizado para depositar o boro (10B) nas ceacutelulas canceriacutegenas A

reaccedilatildeo nuclear (10B(n α)7Li) produzida quando o 10B captura um necircutron com energia

da ordem de 0025 eV chamado de necircutron teacutermico libera dois fragmentos de curto

alcance no tecido da ordem de 9 miacutecrons para a partiacutecula alfa e 5 miacutecrons para o liacutetio

Desta forma eles liberam suas energias no interior das ceacutelulas cancerosas

Na maioria dos estudos realizados satildeo usados os necircutrons oriundos de reatores

nucleares [2] O tratamento de astrocitomas de alto grau eacute atualmente o principal campo

de atuaccedilatildeo da BNCT Estes tumores originam-se em ceacutelulas suporte dos neurocircnios as

ceacutelulas gliais Essas ceacutelulas sofrem frequumlentemente mitose e satildeo suscetiacuteveis a um

acuacutemulo de danos e consequumlentemente o aparecimento de ceacutelulas cancerosas [34]

Esses tumores compreendem cerca de 40 de todos os tumores cerebrais e provocam

grandes mudanccedilas na aparecircncia das ceacutelulas normais [5] Quando essas mudanccedilas

celulares satildeo acompanhadas de necroses daacute-se o nome glioblastoma multiforme (GBM)

a este tipo de astrocitoma maligno O GBM eacute considerado um neoplasma maligno

2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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Publicaccedilotildees 1991

ii

A minha esposa Juliana Barbosa

A minha filha Letiacutecia Laxmi

Aos meus avoacutes Francelino e Carmeacutelia (in memoriam)

iii

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus pois sem o consentimento dele eu natildeo teria conseguido

Ao professor Ademir Xavier da Silva por sua orientaccedilatildeo pelo auxiacutelio e amizade

durante a elaboraccedilatildeo deste trabalho e por permitir o desenvolvimento desta dissertaccedilatildeo

Ao professor Edmilson Monteiro de Souza por sua grande contribuiccedilatildeo essencial agrave

realizaccedilatildeo desse trabalho

Aos amigos do Laboratoacuterio de Neutrongrafia em Tempo Real pelo incentivo

apoio amizade e pelos momentos de descontraccedilatildeo essenciais para o desenvolvimento

deste trabalho

Aos amigos de trabalho e meus alunos que sempre compreenderam quando eu

necessitei faltar para elaborar este trabalho

Ao amigo Jayr Avellar por ser o professor que me inspirou a seguir no caminho da

ciecircncia

Ao grande amigo e parceiro de estudos Renato Freitas por me incentivar e me

apoiar durante a graduaccedilatildeo e mestrado

A tantos outros que direta e indiretamente ajudaram ocasionalmente com dicas e

conselhos permitindo que este trabalho pudesse ser concluiacutedo

iv

Resumo da Dissertaccedilatildeo apresentada agrave COPPE UFRJ como parte dos requisitos

necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau em Mestre em Ciecircncias (MSc)

ESTUDO DA INFLUEcircNCIA DO TAMANHO DE CAMPO DE UM FEIXE DE

NEcircUTRONS EPITEacuteRMICOS NA DISTRIBUICcedilAtildeO DE DOSE EM BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

Setembro2009

Orientador Ademir Xavier da Silva

Programa Engenharia Nuclear

Este trabalho apresenta um estudo da influecircncia do tamanho de campo de um feixe

de necircutrons epiteacutermicos na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT utilizando

um simulador antropomoacuterfico de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel Para o caacutelculo

das doses nos tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um feixe de

espectro idealizado proposto na literatura foi utilizado o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNP baseado no meacutetodo de Monte Carlo Os resultados obtidos sugerem a

possibilidade da utilizaccedilatildeo de um feixe de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores

nas regiotildees do lobo frontal e parietal sem a realizaccedilatildeo de craniotomia Com um feixe de

10 cm de diacircmetro tratar tumores localizados nas regiotildees lobo frontal lobo parietal e o

taacutelamo e com de 20 cm os localizados no lobo frontal lobo occipital lobo parietal e

taacutelamo O trabalho mostra ainda que a contribuiccedilatildeo das componentes secundaacuterias (raios

gama necircutrons raacutepidos e teacutermicos) no caacutelculo da dose total pode resultar em ateacute 15 da

dose no tecido tumoral 68 da dose no tecido cerebral sadio e 87 da dose nas regiotildees

natildeo cefaacutelicas

v

Abstract of Dissertation presented to COPPEUFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (MSc)

STUDY THE INFLUENCE OF THE SIZE OF A FIELD EPITHERMAL NEUTRON

BEAM DISTRIBUTION OF DOSE IN BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

September 2009

Advisior Ademir Xavier da Silva

Department Nuclear Engineering

This work presents a study of the influence of field size of an epithermal neutron

beam in the dose distribution in treatments with BNCT using an anthropomorphic

phantom head and neck based on voxel For the calculation of doses to tissues and

organs of the head according to the diameter of an idealized beam spectrum proposed

in the literature we used the code MCNP radiation transport based on the Monte Carlo

method The results showed that it is possible to use a beam of 6 cm in diameter for

tumors in regions of the frontal and parietal lobe without performing a craniotomy

With a beam of 10 cm in diameter treat tumors located in the regions the frontal lobe

parietal lobe and the thalamus and 20 cm located in the frontal lobe occipital lobe

parietal lobe and pons The work also shows that the contribution of secondary

components (gamma rays fast and thermal neutrons) in calculating the total dose can

result in up to 15 of the dose in tumor tissue 68 of the dose in healthy brain tissue

and 87 of the dose in not cephalic regions

vi

IacuteNDICE

Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 1

11 Revisatildeo bibliograacutefica 3

12 Objetivos 7

Capiacutetulo 2 Introduccedilatildeo Teoacuterica 8

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energia 9

22 Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano 10

23 Conceitos da BNCT 13

24 Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 16

241 Dose Absorvida 16

242 Fluecircncia 16

243 Kerma 17

245 Dose Equivalente 18

25 O coacutedigo Monte Carlo MCNP 20

Capiacutetulo 3 Modelagem do Sistema 22

31 O Fantoma em voxel ZUBAL 25

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo 28

33 Espectro de Necircutrons para BNCT 30

34 Calculo da dose 31

Capiacutetulo 4 Resultados 33

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro 33

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total

para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores 38

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas 43

Capiacutetulo 5 Conclusotildees 47

51 Componentes secundaacuterias de dose 47

52 Recomendaccedilatildeo 48

Referecircncias bibliograacuteficas 49

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 221 Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron

para o tecido cerebral 11

Figura 231 Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido

na reaccedilatildeo 10B(nα)7L 13

Figura 232 O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons

epiteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas

tumorais

14

Figura 31 Localizaccedilatildeo das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido

cefaacutelico 24

Figura 32 Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) 28

Figura 33 Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado 29

Figura 34 Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por

GOORLEY e colaboradores 30

Figura 41 Doses maacuteximas ministradas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro 33

Figura 42 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro 34

Figura 43 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro 34

Figura 44 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 6 cm de diacircmetro

38

Figura 45 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 10 cm de diacircmetro

39

Figura 46 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 20 cm de diacircmetro

39

Figura 47 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao

feixe de 6 cm de diacircmetro

41

viii

Figura 48 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

10 cm de diacircmetro

41

Figura 49 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

20 cm de diacircmetro

42

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 21 Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose

em BNCT 20

Tabela 31 Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de

campo 23

Tabela 32 Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro 24

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais

que constituem o fantoma Zubal 27

Tabela 42 Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em

funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados 36

Tabela 43 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro 43

Tabela 44 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro 44

Tabela 45 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro 44

1

Capiacutetulo1

Introduccedilatildeo

As aplicaccedilotildees de necircutrons para terapia de cacircncer tecircm sido um alvo de interesse

cliacutenico e cientiacutefico desde a sua descoberta por Chadwick em 1932 [1] A Terapia por

Captura de Necircutrons por Boro (do inglecircs Boron Neutron Capture Therapy ndash BNCT) eacute

um tipo de radioterapia para tratamento de cacircncer e o seu sucesso depende da deposiccedilatildeo

de boro (10B) nas ceacutelulas tumorais seguida pela irradiaccedilatildeo por necircutrons resultando na

produccedilatildeo de partiacuteculas ionizantes que causam a morte da ceacutelula canceriacutegena

Esta terapia eacute usada atualmente para o tratamento de tumores de ceacuterebro

(glioblastoma multiforme) pele entre outros [2] Na BNCT um agente de entrega

seletiva ldquocarregadorrdquo eacute utilizado para depositar o boro (10B) nas ceacutelulas canceriacutegenas A

reaccedilatildeo nuclear (10B(n α)7Li) produzida quando o 10B captura um necircutron com energia

da ordem de 0025 eV chamado de necircutron teacutermico libera dois fragmentos de curto

alcance no tecido da ordem de 9 miacutecrons para a partiacutecula alfa e 5 miacutecrons para o liacutetio

Desta forma eles liberam suas energias no interior das ceacutelulas cancerosas

Na maioria dos estudos realizados satildeo usados os necircutrons oriundos de reatores

nucleares [2] O tratamento de astrocitomas de alto grau eacute atualmente o principal campo

de atuaccedilatildeo da BNCT Estes tumores originam-se em ceacutelulas suporte dos neurocircnios as

ceacutelulas gliais Essas ceacutelulas sofrem frequumlentemente mitose e satildeo suscetiacuteveis a um

acuacutemulo de danos e consequumlentemente o aparecimento de ceacutelulas cancerosas [34]

Esses tumores compreendem cerca de 40 de todos os tumores cerebrais e provocam

grandes mudanccedilas na aparecircncia das ceacutelulas normais [5] Quando essas mudanccedilas

celulares satildeo acompanhadas de necroses daacute-se o nome glioblastoma multiforme (GBM)

a este tipo de astrocitoma maligno O GBM eacute considerado um neoplasma maligno

2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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Fundamentos de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria 3a ed Rio de Janeiro CNEN

Publicaccedilotildees 1991

iii

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus pois sem o consentimento dele eu natildeo teria conseguido

Ao professor Ademir Xavier da Silva por sua orientaccedilatildeo pelo auxiacutelio e amizade

durante a elaboraccedilatildeo deste trabalho e por permitir o desenvolvimento desta dissertaccedilatildeo

Ao professor Edmilson Monteiro de Souza por sua grande contribuiccedilatildeo essencial agrave

realizaccedilatildeo desse trabalho

Aos amigos do Laboratoacuterio de Neutrongrafia em Tempo Real pelo incentivo

apoio amizade e pelos momentos de descontraccedilatildeo essenciais para o desenvolvimento

deste trabalho

Aos amigos de trabalho e meus alunos que sempre compreenderam quando eu

necessitei faltar para elaborar este trabalho

Ao amigo Jayr Avellar por ser o professor que me inspirou a seguir no caminho da

ciecircncia

Ao grande amigo e parceiro de estudos Renato Freitas por me incentivar e me

apoiar durante a graduaccedilatildeo e mestrado

A tantos outros que direta e indiretamente ajudaram ocasionalmente com dicas e

conselhos permitindo que este trabalho pudesse ser concluiacutedo

iv

Resumo da Dissertaccedilatildeo apresentada agrave COPPE UFRJ como parte dos requisitos

necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau em Mestre em Ciecircncias (MSc)

ESTUDO DA INFLUEcircNCIA DO TAMANHO DE CAMPO DE UM FEIXE DE

NEcircUTRONS EPITEacuteRMICOS NA DISTRIBUICcedilAtildeO DE DOSE EM BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

Setembro2009

Orientador Ademir Xavier da Silva

Programa Engenharia Nuclear

Este trabalho apresenta um estudo da influecircncia do tamanho de campo de um feixe

de necircutrons epiteacutermicos na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT utilizando

um simulador antropomoacuterfico de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel Para o caacutelculo

das doses nos tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um feixe de

espectro idealizado proposto na literatura foi utilizado o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNP baseado no meacutetodo de Monte Carlo Os resultados obtidos sugerem a

possibilidade da utilizaccedilatildeo de um feixe de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores

nas regiotildees do lobo frontal e parietal sem a realizaccedilatildeo de craniotomia Com um feixe de

10 cm de diacircmetro tratar tumores localizados nas regiotildees lobo frontal lobo parietal e o

taacutelamo e com de 20 cm os localizados no lobo frontal lobo occipital lobo parietal e

taacutelamo O trabalho mostra ainda que a contribuiccedilatildeo das componentes secundaacuterias (raios

gama necircutrons raacutepidos e teacutermicos) no caacutelculo da dose total pode resultar em ateacute 15 da

dose no tecido tumoral 68 da dose no tecido cerebral sadio e 87 da dose nas regiotildees

natildeo cefaacutelicas

v

Abstract of Dissertation presented to COPPEUFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (MSc)

STUDY THE INFLUENCE OF THE SIZE OF A FIELD EPITHERMAL NEUTRON

BEAM DISTRIBUTION OF DOSE IN BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

September 2009

Advisior Ademir Xavier da Silva

Department Nuclear Engineering

This work presents a study of the influence of field size of an epithermal neutron

beam in the dose distribution in treatments with BNCT using an anthropomorphic

phantom head and neck based on voxel For the calculation of doses to tissues and

organs of the head according to the diameter of an idealized beam spectrum proposed

in the literature we used the code MCNP radiation transport based on the Monte Carlo

method The results showed that it is possible to use a beam of 6 cm in diameter for

tumors in regions of the frontal and parietal lobe without performing a craniotomy

With a beam of 10 cm in diameter treat tumors located in the regions the frontal lobe

parietal lobe and the thalamus and 20 cm located in the frontal lobe occipital lobe

parietal lobe and pons The work also shows that the contribution of secondary

components (gamma rays fast and thermal neutrons) in calculating the total dose can

result in up to 15 of the dose in tumor tissue 68 of the dose in healthy brain tissue

and 87 of the dose in not cephalic regions

vi

IacuteNDICE

Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 1

11 Revisatildeo bibliograacutefica 3

12 Objetivos 7

Capiacutetulo 2 Introduccedilatildeo Teoacuterica 8

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energia 9

22 Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano 10

23 Conceitos da BNCT 13

24 Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 16

241 Dose Absorvida 16

242 Fluecircncia 16

243 Kerma 17

245 Dose Equivalente 18

25 O coacutedigo Monte Carlo MCNP 20

Capiacutetulo 3 Modelagem do Sistema 22

31 O Fantoma em voxel ZUBAL 25

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo 28

33 Espectro de Necircutrons para BNCT 30

34 Calculo da dose 31

Capiacutetulo 4 Resultados 33

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro 33

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total

para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores 38

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas 43

Capiacutetulo 5 Conclusotildees 47

51 Componentes secundaacuterias de dose 47

52 Recomendaccedilatildeo 48

Referecircncias bibliograacuteficas 49

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 221 Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron

para o tecido cerebral 11

Figura 231 Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido

na reaccedilatildeo 10B(nα)7L 13

Figura 232 O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons

epiteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas

tumorais

14

Figura 31 Localizaccedilatildeo das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido

cefaacutelico 24

Figura 32 Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) 28

Figura 33 Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado 29

Figura 34 Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por

GOORLEY e colaboradores 30

Figura 41 Doses maacuteximas ministradas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro 33

Figura 42 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro 34

Figura 43 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro 34

Figura 44 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 6 cm de diacircmetro

38

Figura 45 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 10 cm de diacircmetro

39

Figura 46 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 20 cm de diacircmetro

39

Figura 47 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao

feixe de 6 cm de diacircmetro

41

viii

Figura 48 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

10 cm de diacircmetro

41

Figura 49 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

20 cm de diacircmetro

42

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 21 Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose

em BNCT 20

Tabela 31 Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de

campo 23

Tabela 32 Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro 24

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais

que constituem o fantoma Zubal 27

Tabela 42 Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em

funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados 36

Tabela 43 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro 43

Tabela 44 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro 44

Tabela 45 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro 44

1

Capiacutetulo1

Introduccedilatildeo

As aplicaccedilotildees de necircutrons para terapia de cacircncer tecircm sido um alvo de interesse

cliacutenico e cientiacutefico desde a sua descoberta por Chadwick em 1932 [1] A Terapia por

Captura de Necircutrons por Boro (do inglecircs Boron Neutron Capture Therapy ndash BNCT) eacute

um tipo de radioterapia para tratamento de cacircncer e o seu sucesso depende da deposiccedilatildeo

de boro (10B) nas ceacutelulas tumorais seguida pela irradiaccedilatildeo por necircutrons resultando na

produccedilatildeo de partiacuteculas ionizantes que causam a morte da ceacutelula canceriacutegena

Esta terapia eacute usada atualmente para o tratamento de tumores de ceacuterebro

(glioblastoma multiforme) pele entre outros [2] Na BNCT um agente de entrega

seletiva ldquocarregadorrdquo eacute utilizado para depositar o boro (10B) nas ceacutelulas canceriacutegenas A

reaccedilatildeo nuclear (10B(n α)7Li) produzida quando o 10B captura um necircutron com energia

da ordem de 0025 eV chamado de necircutron teacutermico libera dois fragmentos de curto

alcance no tecido da ordem de 9 miacutecrons para a partiacutecula alfa e 5 miacutecrons para o liacutetio

Desta forma eles liberam suas energias no interior das ceacutelulas cancerosas

Na maioria dos estudos realizados satildeo usados os necircutrons oriundos de reatores

nucleares [2] O tratamento de astrocitomas de alto grau eacute atualmente o principal campo

de atuaccedilatildeo da BNCT Estes tumores originam-se em ceacutelulas suporte dos neurocircnios as

ceacutelulas gliais Essas ceacutelulas sofrem frequumlentemente mitose e satildeo suscetiacuteveis a um

acuacutemulo de danos e consequumlentemente o aparecimento de ceacutelulas cancerosas [34]

Esses tumores compreendem cerca de 40 de todos os tumores cerebrais e provocam

grandes mudanccedilas na aparecircncia das ceacutelulas normais [5] Quando essas mudanccedilas

celulares satildeo acompanhadas de necroses daacute-se o nome glioblastoma multiforme (GBM)

a este tipo de astrocitoma maligno O GBM eacute considerado um neoplasma maligno

2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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[38] DEVDERSTANDT JJ HAMILTON LJ Nuclear Reactor Analysis New York

Wiley 1976

53

[39] ZAMENHOF RG CLEMENT SD HARLING OK BRENNER JK

WAZER DE at al ldquoMonte Carlo Based Dosimetry and Treatment Planning for

Neutron Capture Therapy of Brain Tumorsrdquo In OK Harling JA Bernard and RG

Zamenhof Editores Neutron Beam Design Development and Performance for

Neutron Capture Therapy v 54 pp 283 - 305 New York Plenum Press 1990

[40] TAUHATA L SALATI IPA DI PRINZIO R RDIPRINZIO A

Fundamentos de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria 3a ed Rio de Janeiro CNEN

Publicaccedilotildees 1991

iv

Resumo da Dissertaccedilatildeo apresentada agrave COPPE UFRJ como parte dos requisitos

necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau em Mestre em Ciecircncias (MSc)

ESTUDO DA INFLUEcircNCIA DO TAMANHO DE CAMPO DE UM FEIXE DE

NEcircUTRONS EPITEacuteRMICOS NA DISTRIBUICcedilAtildeO DE DOSE EM BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

Setembro2009

Orientador Ademir Xavier da Silva

Programa Engenharia Nuclear

Este trabalho apresenta um estudo da influecircncia do tamanho de campo de um feixe

de necircutrons epiteacutermicos na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT utilizando

um simulador antropomoacuterfico de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel Para o caacutelculo

das doses nos tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um feixe de

espectro idealizado proposto na literatura foi utilizado o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNP baseado no meacutetodo de Monte Carlo Os resultados obtidos sugerem a

possibilidade da utilizaccedilatildeo de um feixe de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores

nas regiotildees do lobo frontal e parietal sem a realizaccedilatildeo de craniotomia Com um feixe de

10 cm de diacircmetro tratar tumores localizados nas regiotildees lobo frontal lobo parietal e o

taacutelamo e com de 20 cm os localizados no lobo frontal lobo occipital lobo parietal e

taacutelamo O trabalho mostra ainda que a contribuiccedilatildeo das componentes secundaacuterias (raios

gama necircutrons raacutepidos e teacutermicos) no caacutelculo da dose total pode resultar em ateacute 15 da

dose no tecido tumoral 68 da dose no tecido cerebral sadio e 87 da dose nas regiotildees

natildeo cefaacutelicas

v

Abstract of Dissertation presented to COPPEUFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (MSc)

STUDY THE INFLUENCE OF THE SIZE OF A FIELD EPITHERMAL NEUTRON

BEAM DISTRIBUTION OF DOSE IN BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

September 2009

Advisior Ademir Xavier da Silva

Department Nuclear Engineering

This work presents a study of the influence of field size of an epithermal neutron

beam in the dose distribution in treatments with BNCT using an anthropomorphic

phantom head and neck based on voxel For the calculation of doses to tissues and

organs of the head according to the diameter of an idealized beam spectrum proposed

in the literature we used the code MCNP radiation transport based on the Monte Carlo

method The results showed that it is possible to use a beam of 6 cm in diameter for

tumors in regions of the frontal and parietal lobe without performing a craniotomy

With a beam of 10 cm in diameter treat tumors located in the regions the frontal lobe

parietal lobe and the thalamus and 20 cm located in the frontal lobe occipital lobe

parietal lobe and pons The work also shows that the contribution of secondary

components (gamma rays fast and thermal neutrons) in calculating the total dose can

result in up to 15 of the dose in tumor tissue 68 of the dose in healthy brain tissue

and 87 of the dose in not cephalic regions

vi

IacuteNDICE

Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 1

11 Revisatildeo bibliograacutefica 3

12 Objetivos 7

Capiacutetulo 2 Introduccedilatildeo Teoacuterica 8

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energia 9

22 Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano 10

23 Conceitos da BNCT 13

24 Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 16

241 Dose Absorvida 16

242 Fluecircncia 16

243 Kerma 17

245 Dose Equivalente 18

25 O coacutedigo Monte Carlo MCNP 20

Capiacutetulo 3 Modelagem do Sistema 22

31 O Fantoma em voxel ZUBAL 25

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo 28

33 Espectro de Necircutrons para BNCT 30

34 Calculo da dose 31

Capiacutetulo 4 Resultados 33

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro 33

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total

para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores 38

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas 43

Capiacutetulo 5 Conclusotildees 47

51 Componentes secundaacuterias de dose 47

52 Recomendaccedilatildeo 48

Referecircncias bibliograacuteficas 49

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 221 Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron

para o tecido cerebral 11

Figura 231 Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido

na reaccedilatildeo 10B(nα)7L 13

Figura 232 O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons

epiteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas

tumorais

14

Figura 31 Localizaccedilatildeo das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido

cefaacutelico 24

Figura 32 Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) 28

Figura 33 Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado 29

Figura 34 Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por

GOORLEY e colaboradores 30

Figura 41 Doses maacuteximas ministradas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro 33

Figura 42 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro 34

Figura 43 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro 34

Figura 44 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 6 cm de diacircmetro

38

Figura 45 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 10 cm de diacircmetro

39

Figura 46 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 20 cm de diacircmetro

39

Figura 47 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao

feixe de 6 cm de diacircmetro

41

viii

Figura 48 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

10 cm de diacircmetro

41

Figura 49 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

20 cm de diacircmetro

42

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 21 Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose

em BNCT 20

Tabela 31 Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de

campo 23

Tabela 32 Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro 24

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais

que constituem o fantoma Zubal 27

Tabela 42 Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em

funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados 36

Tabela 43 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro 43

Tabela 44 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro 44

Tabela 45 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro 44

1

Capiacutetulo1

Introduccedilatildeo

As aplicaccedilotildees de necircutrons para terapia de cacircncer tecircm sido um alvo de interesse

cliacutenico e cientiacutefico desde a sua descoberta por Chadwick em 1932 [1] A Terapia por

Captura de Necircutrons por Boro (do inglecircs Boron Neutron Capture Therapy ndash BNCT) eacute

um tipo de radioterapia para tratamento de cacircncer e o seu sucesso depende da deposiccedilatildeo

de boro (10B) nas ceacutelulas tumorais seguida pela irradiaccedilatildeo por necircutrons resultando na

produccedilatildeo de partiacuteculas ionizantes que causam a morte da ceacutelula canceriacutegena

Esta terapia eacute usada atualmente para o tratamento de tumores de ceacuterebro

(glioblastoma multiforme) pele entre outros [2] Na BNCT um agente de entrega

seletiva ldquocarregadorrdquo eacute utilizado para depositar o boro (10B) nas ceacutelulas canceriacutegenas A

reaccedilatildeo nuclear (10B(n α)7Li) produzida quando o 10B captura um necircutron com energia

da ordem de 0025 eV chamado de necircutron teacutermico libera dois fragmentos de curto

alcance no tecido da ordem de 9 miacutecrons para a partiacutecula alfa e 5 miacutecrons para o liacutetio

Desta forma eles liberam suas energias no interior das ceacutelulas cancerosas

Na maioria dos estudos realizados satildeo usados os necircutrons oriundos de reatores

nucleares [2] O tratamento de astrocitomas de alto grau eacute atualmente o principal campo

de atuaccedilatildeo da BNCT Estes tumores originam-se em ceacutelulas suporte dos neurocircnios as

ceacutelulas gliais Essas ceacutelulas sofrem frequumlentemente mitose e satildeo suscetiacuteveis a um

acuacutemulo de danos e consequumlentemente o aparecimento de ceacutelulas cancerosas [34]

Esses tumores compreendem cerca de 40 de todos os tumores cerebrais e provocam

grandes mudanccedilas na aparecircncia das ceacutelulas normais [5] Quando essas mudanccedilas

celulares satildeo acompanhadas de necroses daacute-se o nome glioblastoma multiforme (GBM)

a este tipo de astrocitoma maligno O GBM eacute considerado um neoplasma maligno

2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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v

Abstract of Dissertation presented to COPPEUFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (MSc)

STUDY THE INFLUENCE OF THE SIZE OF A FIELD EPITHERMAL NEUTRON

BEAM DISTRIBUTION OF DOSE IN BNCT

Leandro de Oliveira Pereira

September 2009

Advisior Ademir Xavier da Silva

Department Nuclear Engineering

This work presents a study of the influence of field size of an epithermal neutron

beam in the dose distribution in treatments with BNCT using an anthropomorphic

phantom head and neck based on voxel For the calculation of doses to tissues and

organs of the head according to the diameter of an idealized beam spectrum proposed

in the literature we used the code MCNP radiation transport based on the Monte Carlo

method The results showed that it is possible to use a beam of 6 cm in diameter for

tumors in regions of the frontal and parietal lobe without performing a craniotomy

With a beam of 10 cm in diameter treat tumors located in the regions the frontal lobe

parietal lobe and the thalamus and 20 cm located in the frontal lobe occipital lobe

parietal lobe and pons The work also shows that the contribution of secondary

components (gamma rays fast and thermal neutrons) in calculating the total dose can

result in up to 15 of the dose in tumor tissue 68 of the dose in healthy brain tissue

and 87 of the dose in not cephalic regions

vi

IacuteNDICE

Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 1

11 Revisatildeo bibliograacutefica 3

12 Objetivos 7

Capiacutetulo 2 Introduccedilatildeo Teoacuterica 8

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energia 9

22 Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano 10

23 Conceitos da BNCT 13

24 Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 16

241 Dose Absorvida 16

242 Fluecircncia 16

243 Kerma 17

245 Dose Equivalente 18

25 O coacutedigo Monte Carlo MCNP 20

Capiacutetulo 3 Modelagem do Sistema 22

31 O Fantoma em voxel ZUBAL 25

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo 28

33 Espectro de Necircutrons para BNCT 30

34 Calculo da dose 31

Capiacutetulo 4 Resultados 33

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro 33

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total

para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores 38

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas 43

Capiacutetulo 5 Conclusotildees 47

51 Componentes secundaacuterias de dose 47

52 Recomendaccedilatildeo 48

Referecircncias bibliograacuteficas 49

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 221 Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron

para o tecido cerebral 11

Figura 231 Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido

na reaccedilatildeo 10B(nα)7L 13

Figura 232 O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons

epiteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas

tumorais

14

Figura 31 Localizaccedilatildeo das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido

cefaacutelico 24

Figura 32 Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) 28

Figura 33 Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado 29

Figura 34 Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por

GOORLEY e colaboradores 30

Figura 41 Doses maacuteximas ministradas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro 33

Figura 42 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro 34

Figura 43 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro 34

Figura 44 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 6 cm de diacircmetro

38

Figura 45 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 10 cm de diacircmetro

39

Figura 46 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 20 cm de diacircmetro

39

Figura 47 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao

feixe de 6 cm de diacircmetro

41

viii

Figura 48 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

10 cm de diacircmetro

41

Figura 49 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

20 cm de diacircmetro

42

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 21 Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose

em BNCT 20

Tabela 31 Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de

campo 23

Tabela 32 Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro 24

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais

que constituem o fantoma Zubal 27

Tabela 42 Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em

funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados 36

Tabela 43 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro 43

Tabela 44 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro 44

Tabela 45 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro 44

1

Capiacutetulo1

Introduccedilatildeo

As aplicaccedilotildees de necircutrons para terapia de cacircncer tecircm sido um alvo de interesse

cliacutenico e cientiacutefico desde a sua descoberta por Chadwick em 1932 [1] A Terapia por

Captura de Necircutrons por Boro (do inglecircs Boron Neutron Capture Therapy ndash BNCT) eacute

um tipo de radioterapia para tratamento de cacircncer e o seu sucesso depende da deposiccedilatildeo

de boro (10B) nas ceacutelulas tumorais seguida pela irradiaccedilatildeo por necircutrons resultando na

produccedilatildeo de partiacuteculas ionizantes que causam a morte da ceacutelula canceriacutegena

Esta terapia eacute usada atualmente para o tratamento de tumores de ceacuterebro

(glioblastoma multiforme) pele entre outros [2] Na BNCT um agente de entrega

seletiva ldquocarregadorrdquo eacute utilizado para depositar o boro (10B) nas ceacutelulas canceriacutegenas A

reaccedilatildeo nuclear (10B(n α)7Li) produzida quando o 10B captura um necircutron com energia

da ordem de 0025 eV chamado de necircutron teacutermico libera dois fragmentos de curto

alcance no tecido da ordem de 9 miacutecrons para a partiacutecula alfa e 5 miacutecrons para o liacutetio

Desta forma eles liberam suas energias no interior das ceacutelulas cancerosas

Na maioria dos estudos realizados satildeo usados os necircutrons oriundos de reatores

nucleares [2] O tratamento de astrocitomas de alto grau eacute atualmente o principal campo

de atuaccedilatildeo da BNCT Estes tumores originam-se em ceacutelulas suporte dos neurocircnios as

ceacutelulas gliais Essas ceacutelulas sofrem frequumlentemente mitose e satildeo suscetiacuteveis a um

acuacutemulo de danos e consequumlentemente o aparecimento de ceacutelulas cancerosas [34]

Esses tumores compreendem cerca de 40 de todos os tumores cerebrais e provocam

grandes mudanccedilas na aparecircncia das ceacutelulas normais [5] Quando essas mudanccedilas

celulares satildeo acompanhadas de necroses daacute-se o nome glioblastoma multiforme (GBM)

a este tipo de astrocitoma maligno O GBM eacute considerado um neoplasma maligno

2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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Publicaccedilotildees 1991

vi

IacuteNDICE

Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 1

11 Revisatildeo bibliograacutefica 3

12 Objetivos 7

Capiacutetulo 2 Introduccedilatildeo Teoacuterica 8

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energia 9

22 Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano 10

23 Conceitos da BNCT 13

24 Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 16

241 Dose Absorvida 16

242 Fluecircncia 16

243 Kerma 17

245 Dose Equivalente 18

25 O coacutedigo Monte Carlo MCNP 20

Capiacutetulo 3 Modelagem do Sistema 22

31 O Fantoma em voxel ZUBAL 25

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo 28

33 Espectro de Necircutrons para BNCT 30

34 Calculo da dose 31

Capiacutetulo 4 Resultados 33

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro 33

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total

para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores 38

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas 43

Capiacutetulo 5 Conclusotildees 47

51 Componentes secundaacuterias de dose 47

52 Recomendaccedilatildeo 48

Referecircncias bibliograacuteficas 49

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 221 Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron

para o tecido cerebral 11

Figura 231 Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido

na reaccedilatildeo 10B(nα)7L 13

Figura 232 O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons

epiteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas

tumorais

14

Figura 31 Localizaccedilatildeo das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido

cefaacutelico 24

Figura 32 Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) 28

Figura 33 Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado 29

Figura 34 Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por

GOORLEY e colaboradores 30

Figura 41 Doses maacuteximas ministradas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro 33

Figura 42 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro 34

Figura 43 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro 34

Figura 44 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 6 cm de diacircmetro

38

Figura 45 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 10 cm de diacircmetro

39

Figura 46 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 20 cm de diacircmetro

39

Figura 47 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao

feixe de 6 cm de diacircmetro

41

viii

Figura 48 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

10 cm de diacircmetro

41

Figura 49 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

20 cm de diacircmetro

42

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 21 Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose

em BNCT 20

Tabela 31 Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de

campo 23

Tabela 32 Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro 24

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais

que constituem o fantoma Zubal 27

Tabela 42 Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em

funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados 36

Tabela 43 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro 43

Tabela 44 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro 44

Tabela 45 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro 44

1

Capiacutetulo1

Introduccedilatildeo

As aplicaccedilotildees de necircutrons para terapia de cacircncer tecircm sido um alvo de interesse

cliacutenico e cientiacutefico desde a sua descoberta por Chadwick em 1932 [1] A Terapia por

Captura de Necircutrons por Boro (do inglecircs Boron Neutron Capture Therapy ndash BNCT) eacute

um tipo de radioterapia para tratamento de cacircncer e o seu sucesso depende da deposiccedilatildeo

de boro (10B) nas ceacutelulas tumorais seguida pela irradiaccedilatildeo por necircutrons resultando na

produccedilatildeo de partiacuteculas ionizantes que causam a morte da ceacutelula canceriacutegena

Esta terapia eacute usada atualmente para o tratamento de tumores de ceacuterebro

(glioblastoma multiforme) pele entre outros [2] Na BNCT um agente de entrega

seletiva ldquocarregadorrdquo eacute utilizado para depositar o boro (10B) nas ceacutelulas canceriacutegenas A

reaccedilatildeo nuclear (10B(n α)7Li) produzida quando o 10B captura um necircutron com energia

da ordem de 0025 eV chamado de necircutron teacutermico libera dois fragmentos de curto

alcance no tecido da ordem de 9 miacutecrons para a partiacutecula alfa e 5 miacutecrons para o liacutetio

Desta forma eles liberam suas energias no interior das ceacutelulas cancerosas

Na maioria dos estudos realizados satildeo usados os necircutrons oriundos de reatores

nucleares [2] O tratamento de astrocitomas de alto grau eacute atualmente o principal campo

de atuaccedilatildeo da BNCT Estes tumores originam-se em ceacutelulas suporte dos neurocircnios as

ceacutelulas gliais Essas ceacutelulas sofrem frequumlentemente mitose e satildeo suscetiacuteveis a um

acuacutemulo de danos e consequumlentemente o aparecimento de ceacutelulas cancerosas [34]

Esses tumores compreendem cerca de 40 de todos os tumores cerebrais e provocam

grandes mudanccedilas na aparecircncia das ceacutelulas normais [5] Quando essas mudanccedilas

celulares satildeo acompanhadas de necroses daacute-se o nome glioblastoma multiforme (GBM)

a este tipo de astrocitoma maligno O GBM eacute considerado um neoplasma maligno

2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 221 Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron

para o tecido cerebral 11

Figura 231 Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido

na reaccedilatildeo 10B(nα)7L 13

Figura 232 O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons

epiteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas

tumorais

14

Figura 31 Localizaccedilatildeo das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido

cefaacutelico 24

Figura 32 Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) 28

Figura 33 Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado 29

Figura 34 Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por

GOORLEY e colaboradores 30

Figura 41 Doses maacuteximas ministradas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro 33

Figura 42 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro 34

Figura 43 Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe

neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro 34

Figura 44 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 6 cm de diacircmetro

38

Figura 45 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 10 cm de diacircmetro

39

Figura 46 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe

de 20 cm de diacircmetro

39

Figura 47 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao

feixe de 6 cm de diacircmetro

41

viii

Figura 48 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

10 cm de diacircmetro

41

Figura 49 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

20 cm de diacircmetro

42

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 21 Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose

em BNCT 20

Tabela 31 Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de

campo 23

Tabela 32 Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro 24

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais

que constituem o fantoma Zubal 27

Tabela 42 Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em

funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados 36

Tabela 43 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro 43

Tabela 44 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro 44

Tabela 45 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro 44

1

Capiacutetulo1

Introduccedilatildeo

As aplicaccedilotildees de necircutrons para terapia de cacircncer tecircm sido um alvo de interesse

cliacutenico e cientiacutefico desde a sua descoberta por Chadwick em 1932 [1] A Terapia por

Captura de Necircutrons por Boro (do inglecircs Boron Neutron Capture Therapy ndash BNCT) eacute

um tipo de radioterapia para tratamento de cacircncer e o seu sucesso depende da deposiccedilatildeo

de boro (10B) nas ceacutelulas tumorais seguida pela irradiaccedilatildeo por necircutrons resultando na

produccedilatildeo de partiacuteculas ionizantes que causam a morte da ceacutelula canceriacutegena

Esta terapia eacute usada atualmente para o tratamento de tumores de ceacuterebro

(glioblastoma multiforme) pele entre outros [2] Na BNCT um agente de entrega

seletiva ldquocarregadorrdquo eacute utilizado para depositar o boro (10B) nas ceacutelulas canceriacutegenas A

reaccedilatildeo nuclear (10B(n α)7Li) produzida quando o 10B captura um necircutron com energia

da ordem de 0025 eV chamado de necircutron teacutermico libera dois fragmentos de curto

alcance no tecido da ordem de 9 miacutecrons para a partiacutecula alfa e 5 miacutecrons para o liacutetio

Desta forma eles liberam suas energias no interior das ceacutelulas cancerosas

Na maioria dos estudos realizados satildeo usados os necircutrons oriundos de reatores

nucleares [2] O tratamento de astrocitomas de alto grau eacute atualmente o principal campo

de atuaccedilatildeo da BNCT Estes tumores originam-se em ceacutelulas suporte dos neurocircnios as

ceacutelulas gliais Essas ceacutelulas sofrem frequumlentemente mitose e satildeo suscetiacuteveis a um

acuacutemulo de danos e consequumlentemente o aparecimento de ceacutelulas cancerosas [34]

Esses tumores compreendem cerca de 40 de todos os tumores cerebrais e provocam

grandes mudanccedilas na aparecircncia das ceacutelulas normais [5] Quando essas mudanccedilas

celulares satildeo acompanhadas de necroses daacute-se o nome glioblastoma multiforme (GBM)

a este tipo de astrocitoma maligno O GBM eacute considerado um neoplasma maligno

2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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Publicaccedilotildees 1991

viii

Figura 48 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

10 cm de diacircmetro

41

Figura 49 Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no

tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao de

20 cm de diacircmetro

42

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 21 Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose

em BNCT 20

Tabela 31 Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de

campo 23

Tabela 32 Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro 24

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais

que constituem o fantoma Zubal 27

Tabela 42 Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em

funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados 36

Tabela 43 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro 43

Tabela 44 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro 44

Tabela 45 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro 44

1

Capiacutetulo1

Introduccedilatildeo

As aplicaccedilotildees de necircutrons para terapia de cacircncer tecircm sido um alvo de interesse

cliacutenico e cientiacutefico desde a sua descoberta por Chadwick em 1932 [1] A Terapia por

Captura de Necircutrons por Boro (do inglecircs Boron Neutron Capture Therapy ndash BNCT) eacute

um tipo de radioterapia para tratamento de cacircncer e o seu sucesso depende da deposiccedilatildeo

de boro (10B) nas ceacutelulas tumorais seguida pela irradiaccedilatildeo por necircutrons resultando na

produccedilatildeo de partiacuteculas ionizantes que causam a morte da ceacutelula canceriacutegena

Esta terapia eacute usada atualmente para o tratamento de tumores de ceacuterebro

(glioblastoma multiforme) pele entre outros [2] Na BNCT um agente de entrega

seletiva ldquocarregadorrdquo eacute utilizado para depositar o boro (10B) nas ceacutelulas canceriacutegenas A

reaccedilatildeo nuclear (10B(n α)7Li) produzida quando o 10B captura um necircutron com energia

da ordem de 0025 eV chamado de necircutron teacutermico libera dois fragmentos de curto

alcance no tecido da ordem de 9 miacutecrons para a partiacutecula alfa e 5 miacutecrons para o liacutetio

Desta forma eles liberam suas energias no interior das ceacutelulas cancerosas

Na maioria dos estudos realizados satildeo usados os necircutrons oriundos de reatores

nucleares [2] O tratamento de astrocitomas de alto grau eacute atualmente o principal campo

de atuaccedilatildeo da BNCT Estes tumores originam-se em ceacutelulas suporte dos neurocircnios as

ceacutelulas gliais Essas ceacutelulas sofrem frequumlentemente mitose e satildeo suscetiacuteveis a um

acuacutemulo de danos e consequumlentemente o aparecimento de ceacutelulas cancerosas [34]

Esses tumores compreendem cerca de 40 de todos os tumores cerebrais e provocam

grandes mudanccedilas na aparecircncia das ceacutelulas normais [5] Quando essas mudanccedilas

celulares satildeo acompanhadas de necroses daacute-se o nome glioblastoma multiforme (GBM)

a este tipo de astrocitoma maligno O GBM eacute considerado um neoplasma maligno

2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 21 Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose

em BNCT 20

Tabela 31 Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de

campo 23

Tabela 32 Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro 24

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais

que constituem o fantoma Zubal 27

Tabela 42 Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em

funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados 36

Tabela 43 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro 43

Tabela 44 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro 44

Tabela 45 Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos

tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro 44

1

Capiacutetulo1

Introduccedilatildeo

As aplicaccedilotildees de necircutrons para terapia de cacircncer tecircm sido um alvo de interesse

cliacutenico e cientiacutefico desde a sua descoberta por Chadwick em 1932 [1] A Terapia por

Captura de Necircutrons por Boro (do inglecircs Boron Neutron Capture Therapy ndash BNCT) eacute

um tipo de radioterapia para tratamento de cacircncer e o seu sucesso depende da deposiccedilatildeo

de boro (10B) nas ceacutelulas tumorais seguida pela irradiaccedilatildeo por necircutrons resultando na

produccedilatildeo de partiacuteculas ionizantes que causam a morte da ceacutelula canceriacutegena

Esta terapia eacute usada atualmente para o tratamento de tumores de ceacuterebro

(glioblastoma multiforme) pele entre outros [2] Na BNCT um agente de entrega

seletiva ldquocarregadorrdquo eacute utilizado para depositar o boro (10B) nas ceacutelulas canceriacutegenas A

reaccedilatildeo nuclear (10B(n α)7Li) produzida quando o 10B captura um necircutron com energia

da ordem de 0025 eV chamado de necircutron teacutermico libera dois fragmentos de curto

alcance no tecido da ordem de 9 miacutecrons para a partiacutecula alfa e 5 miacutecrons para o liacutetio

Desta forma eles liberam suas energias no interior das ceacutelulas cancerosas

Na maioria dos estudos realizados satildeo usados os necircutrons oriundos de reatores

nucleares [2] O tratamento de astrocitomas de alto grau eacute atualmente o principal campo

de atuaccedilatildeo da BNCT Estes tumores originam-se em ceacutelulas suporte dos neurocircnios as

ceacutelulas gliais Essas ceacutelulas sofrem frequumlentemente mitose e satildeo suscetiacuteveis a um

acuacutemulo de danos e consequumlentemente o aparecimento de ceacutelulas cancerosas [34]

Esses tumores compreendem cerca de 40 de todos os tumores cerebrais e provocam

grandes mudanccedilas na aparecircncia das ceacutelulas normais [5] Quando essas mudanccedilas

celulares satildeo acompanhadas de necroses daacute-se o nome glioblastoma multiforme (GBM)

a este tipo de astrocitoma maligno O GBM eacute considerado um neoplasma maligno

2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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1

Capiacutetulo1

Introduccedilatildeo

As aplicaccedilotildees de necircutrons para terapia de cacircncer tecircm sido um alvo de interesse

cliacutenico e cientiacutefico desde a sua descoberta por Chadwick em 1932 [1] A Terapia por

Captura de Necircutrons por Boro (do inglecircs Boron Neutron Capture Therapy ndash BNCT) eacute

um tipo de radioterapia para tratamento de cacircncer e o seu sucesso depende da deposiccedilatildeo

de boro (10B) nas ceacutelulas tumorais seguida pela irradiaccedilatildeo por necircutrons resultando na

produccedilatildeo de partiacuteculas ionizantes que causam a morte da ceacutelula canceriacutegena

Esta terapia eacute usada atualmente para o tratamento de tumores de ceacuterebro

(glioblastoma multiforme) pele entre outros [2] Na BNCT um agente de entrega

seletiva ldquocarregadorrdquo eacute utilizado para depositar o boro (10B) nas ceacutelulas canceriacutegenas A

reaccedilatildeo nuclear (10B(n α)7Li) produzida quando o 10B captura um necircutron com energia

da ordem de 0025 eV chamado de necircutron teacutermico libera dois fragmentos de curto

alcance no tecido da ordem de 9 miacutecrons para a partiacutecula alfa e 5 miacutecrons para o liacutetio

Desta forma eles liberam suas energias no interior das ceacutelulas cancerosas

Na maioria dos estudos realizados satildeo usados os necircutrons oriundos de reatores

nucleares [2] O tratamento de astrocitomas de alto grau eacute atualmente o principal campo

de atuaccedilatildeo da BNCT Estes tumores originam-se em ceacutelulas suporte dos neurocircnios as

ceacutelulas gliais Essas ceacutelulas sofrem frequumlentemente mitose e satildeo suscetiacuteveis a um

acuacutemulo de danos e consequumlentemente o aparecimento de ceacutelulas cancerosas [34]

Esses tumores compreendem cerca de 40 de todos os tumores cerebrais e provocam

grandes mudanccedilas na aparecircncia das ceacutelulas normais [5] Quando essas mudanccedilas

celulares satildeo acompanhadas de necroses daacute-se o nome glioblastoma multiforme (GBM)

a este tipo de astrocitoma maligno O GBM eacute considerado um neoplasma maligno

2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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2

infiltrante (alcanccedilando profundidades de ateacute 8 cm no ceacuterebro) imprevisiacutevel e

incontrolaacutevel poreacutem incapaz de promover metaacutestase fora do ceacuterebro [6]

Topograficamente os GBM predominam na regiatildeo supratentorial mais frequentemente

nos lobos temporal (32) frontal (31) fronto-parietal (11) parietal (10)

tecircmporo-parietal (7) e regiotildees occiacutepito-parietais (5) [7]

Os efeitos deste tumor dependendo da aacuterea afetada prejudicam principalmente o

controle do equiliacutebrio e a coordenaccedilatildeo motora A expectativa de vida do paciente eacute de

aproximadamente 36 meses para tumores sem necroses e somente 9 meses para GBM

[8] ocorrendo algumas variantes relacionas agrave idade e condicionamento fiacutesico poreacutem

nem sempre haacute melhoria na qualidade de vida do paciente durante os tratamentos

convencionais A expectativa de vida para indiviacuteduos sem tratamento eacute de

aproximadamente trecircs meses [6] Os meacutetodos convencionais de tratamento envolvem

reduccedilatildeo do volume tumoral por cirurgia seguida por irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X totalizando ao final do tratamento uma dose de 30 Gy [9] A

reincidecircncia eacute frequumlentemente observada bem como debilidade das funccedilotildees cerebrais

apoacutes radioterapia uma vez que grande parte do tecido cerebral sadio eacute irradiada durante

o tratamento e (ou) lesada durante a cirurgia [9] A BNCT apresenta-se como alternativa

promissora de tratamento por ser uma teacutecnica natildeo invasiva cujo princiacutepio se baseia na

seletividade entre tumor e tecido sadio eliminando natildeo somente o corpo principal do

tumor mas tambeacutem depoacutesitos de ceacutelulas tumorais (infiltraccedilotildees) fora do corpo principal

preservando o tecido sadio nos arredores do tumor e alcanccedilando taxas de sobrevida de

ateacute 10 anos [9]

Um dos problemas na teacutecnica da BNCT eacute a falta de informaccedilatildeo sobre valores de dose

no tecido normal adjacente e nos demais tecidos radiossensiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e

pescoccedilo Como em procedimentos radioteraacutepicos natildeo eacute viaacutevel a realizaccedilatildeo de medidas

3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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3

em vivo de dose nos oacutergatildeos faz-se necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de outros meacutetodos mais

praacuteticos para se estimar as doses absorvidas nos oacutergatildeos do paciente Graccedilas ao

desenvolvimento das teacutecnicas computacionais no estudo do transporte das radiaccedilotildees na

mateacuteria agrave viabilidade dos coacutedigos computacionais e ao avanccedilo da tecnologia empregada

nos computadores nos uacuteltimos anos a modelagem computacional em conjunto com os

simuladores antropomoacuterficos de voxels tecircm sido uacutetil para estudar a dose no paciente

viabilizando a busca por arranjos experimentais para o tratamento e a avaliaccedilatildeo das

contribuiccedilotildees secundaacuterias na dose total que satildeo informaccedilotildees fundamentais para a

evoluccedilatildeo da teacutecnica da BNCT

11 Revisatildeo bibliograacutefica

A BNCT teve iniacutecio em 1936 quando LOCHER [10] propocircs o seu princiacutepio quatro

anos apoacutes da descoberta do necircutron por CHADWICK [1] A teacutecnica proposta por

Locher levou nos anos 50 aos primeiros tratamentos cliacutenicos de BNCT no

Massachusetts General LaboratoryMassachusetts Institute of Technology (MGHMIT)

e no Brookhaven National Laboratory (BNL) ambos nos Estados Unidos (EUA)

usando necircutrons teacutermicos poreacutem sem sucesso

O BNL iniciou suas tentativas cliacutenicas em 1994 fazendo uso de um reator nuclear de

pesquisa modificado para aplicaccedilotildees meacutedicas O MITMGH tambeacutem comeccedilou as

tentativas cliacutenicas em BNCT para melanoma cutacircneo e em 1996 para glioblastoma ou

melanoma intracranial Mais de trinta pacientes no MIT e 38 no BNL foram tratados

Em Petten Holanda estudos cliacutenicos para tratamento de glioblastoma foram iniciados

em 1997 e estudos preliminares para implementaccedilatildeo cliacutenica de BNCT na Finlacircndia tem

sido desenvolvidos na Universidade de Helsinki

No ano 2000 MARASHI [11] realizou um estudo sobre e a distribuiccedilatildeo de dose e o

fluxo de necircutrons em tratamento BNCT em funccedilatildeo da profundidade com um simulador

4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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4

simples sendo um bloco retangular contendo trecircs camadas uma representando tecido

sadio com 3 cm de espessura outra representando o tecido tumoral com 5 cm de

espessura e uma terceira representando novamente o tecido sadio com 15 cm de

espessura Os resultados mostraram que da dose total absorvida no tumor 61 eacute

proveniente da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que eacute a principal componente de dose em BNCT

Em 2001 a Agecircncia Internacional de Energia Atocircmica (AIEA) publicou o documento

IAEA-TECDOC-1223 que mostrava o panorama da BNCT e estabelecia algumas

recomendaccedilotildees como fatores de peso bioloacutegico para as componentes de dose limites de

dose para o tecido sadio caracterizaccedilatildeo de feixes e suas componentes tipos de

compostos de boro e suas concetraccedilotildees principais fontes de necircutrons entre outras

Em 2001 Evans e colaboradores [12] mostraram a viabilidade da utilizaccedilatildeo de um

fantoma em voxel com uma alta resoluccedilatildeo em 3-D da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo para

aplicaccedilotildees em simulaccedilatildeo com o coacutedigo Monte Carlo N-Partiacutecula (MCNP) que

possibilita um estudo dosimeacutetrico detalhado da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo em

tratamento com BNCT

Em 2002 GOORLEY e colaboradores [13] com o objetivo de desenvolver uma

quantidade de problemas testes de referecircncia para anaacutelises dosimeacutetricas em BNCT

modelaram com MCNP versatildeo 4B [14] um feixe de necircutrons epiteacutermicos com um

espectro de energia similar ao usualmente proposto para uso cliacutenico em BNCT

contendo 1 de contaminaccedilatildeo de necircutrons raacutepidos e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons

teacutermicos e analisaram as distribuiccedilotildees das taxas de kerma com a profundidade em um

simulador matemaacutetico de cabeccedila para o espectro de energia de necircutrons supracitado

Poreacutem os estudos realizados natildeo avaliaram o comportamento das contribuiccedilotildees

secundaacuterias de dose deste feixe para fins especiacuteficos de tratamento cliacutenico

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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Publicaccedilotildees 1991

5

Tambeacutem em 2002 ZAMENHOF e colaboradores [15] do Massachusetts Institute of

Technology MIT EUA realizaram estudos dosimeacutetricos do tratamento com BNCT de

22 pacientes no Massachusetts Institute of Technology (MIT-Harvard) que apresentaram

tumores cerebrais em ceacutelulas gliais Foram utilizados trecircs campos de radiaccedilatildeo sendo os

valores maacuteximos de dose alcanccedilados nos tecidos tumoral e tecido sadio de 550 e 162

RBE-Gy respectivamente Este estudo apresenta as regiotildees cerebrais de maior

incidecircncia de GBM em pacientes do sexo feminino e masculino de idades entre 24 e 78

anos

No ano de 2003 SOUZA [16] realizou um estudo sobre as distribuiccedilotildees das

principais componentes de dose em tratamentos com captura de necircutrons por boro

utilizando um feixe de necircutrons epiteacutermicos idealizado empregando o coacutedigo MCNP

versatildeo 4C e um fantoma matemaacutetico Os resultados obtidos mostraram que a

caracterizaccedilatildeo do feixe de necircutrons em funccedilatildeo das componentes energeacuteticas e diacircmetros

eacute fundamental para o planejamento do tratamento uma vez que influenciam diretamente

no gradiente de dose tumortecido e que apesar da dose devido ao 10B ser a maior

contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem

consideraacutevel influecircncia podendo chegar a 10 da dose no tecido tumoral e a 80 da

dose no tecido sadio

Em 2005 MUNDY e JEVREMOVIC [17] estudaram o uso da teacutecnica da BNCT

para tratamento de tumores na mama utilizando o coacutedigo MCNP e um fantoma

matemaacutetico Eles avaliaram a concentraccedilatildeo de 10B no tecido tumoral para que se tenha

o efeito deleteacuterio necessaacuterio nas ceacutelulas do tecido tumoral Utilizando um feixe de

necircutrons teacutermicos eles determinaram a dose em funccedilatildeo da concentraccedilatildeo de 10B e os

resultados mostraram que o melhor valor da concentraccedilatildeo de 10B para o tratamento de

tumores na mama atraveacutes da BNCT estaacute entre 50 e 60 microg por grama de tecido tumoral

6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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6

Em 2007 BORTOLUSSI e ALTIERI [18] realizaram um estudo do tratamento

com BNCT de tumores no fiacutegado usando o coacutedigo MCNP Eles analisaram a

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons no fiacutegado usando uma fantoma em voxel e

compararam seus resultados com dados experimentais obtidos com a irradiaccedilatildeo de um

fantoma fiacutesico num reator nuclear Os resultados mostraram o comportamento da

distribuiccedilatildeo do fluxo de necircutrons em funccedilatildeo da geometria de irradiaccedilatildeo e da energia do

feixe

Em 2008 KATARZYNA [19] estudou o comportamento das componentes de

dose em BNCT em funccedilatildeo da energia do necircutron (1 eV a 1 MeV) e da profundidade no

ceacuterebro Nesse trabalho foi utilizado o coacutedigo MCNP e como simulador um modelo

matemaacutetico simples que representa a cabeccedila humana como uma esfera de 20 cm de

diacircmetro com a composiccedilatildeo do tecido cerebral dada pela ICRU 46 A dose total foi

dividida em trecircs componentes a componente devido aos raios gama proveniente da

reaccedilatildeo 1H(n γ)2H a componente nitrogecircnio resultante da reaccedilatildeo 14N(n p)14C e a

componente boro que proveacutem da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li Os resultados mostram que a

melhor energia do feixe de necircutrons para o tratamento de tumores localizados entre 2 e

3 cm de profundidade na cabeccedila humana eacute cerca de 1 KeV

7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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7

12 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo investigar a influecircncia do tamanho de campo de um

feixe idealizado de necircutrons na distribuiccedilatildeo de dose em tratamentos com BNCT Para

alcanccedilar tal objetivo foram utilizados o coacutedigo de transporte de radiaccedilatildeo MCNP um

simulador de cabeccedila e pescoccedilo baseado em voxel sendo estabelecidas as seguintes

metas

bull Caacutelculo das doses em tecidos e oacutergatildeos da cabeccedila em funccedilatildeo do diacircmetro de um

feixe de necircutrons de espectro epiteacutermico proposto na literatura por GOORLEY e

colaboradores [13] para tratamentos com BNCT usando o coacutedigo de transporte de

radiaccedilatildeo MCNPX [20] e o simulador antropomoacuterfico em Voxel ZUBAL [12] com

a composiccedilatildeo de tecido e os fatores de Kerma baseados na ICRU Report 46

bull Anaacutelise das contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias (raios gama secundaacuterios

necircutrons raacutepidos e teacutermicos) na dose total no tumor no tecido sadio e nas regiotildees natildeo

cefaacutelicas

8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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8

Capiacutetulo 2

Fundamentos teoacutericos

Natildeo se pode negar que o cacircncer ainda eacute uma das piores doenccedilas dos tempos

modernos Ele eacute o crescimento desordenado de ceacutelulas que invadem os tecidos e oacutergatildeos

podendo espalhar-se (metaacutestase) para outras regiotildees do corpo Dividindo-se

rapidamente estas ceacutelulas tendem a ser muito agressivas e incontrolaacuteveis determinando

a formaccedilatildeo de tumores (acuacutemulo de ceacutelulas cancerosas) ou neoplasias malignas [21]

Uma das formas de tratamento do cacircncer eacute atraveacutes do emprego terapecircutico de feixes

de radiaccedilotildees ionizantes (raios X e gama eleacutetrons proacutetons e necircutrons) para eliminar as

ceacutelulas danificadas e evitar futuras proliferaccedilotildees Poreacutem para erradicar tumores o feixe

de radiaccedilatildeo usualmente atravessa o tecido normal sadio com uma consequumlente

probabilidade de destruir ou transformar ceacutelulas sadias e originar lesotildees no tecido

normal irradiado o que tem despertado o interesse de oncologistas e cientistas em

desenvolver teacutecnicas e tratamentos que visem uma maior seletividade entre tumor e

tecido normal maximizando a dose no tecido tumoral e minimizando a dose no tecido

normal adjacente

O processo de ionizaccedilatildeo altera aacutetomos (pelo menos temporariamente) e deve

portanto alterar a estrutura das moleacuteculas que os conteacutem Mudanccedilas moleculares

tambeacutem podem ser causadas pela excitaccedilatildeo dos aacutetomos e moleacuteculas se a energia de

excitaccedilatildeo ultrapassar a energia de ligaccedilatildeo entre os aacutetomos As moleacuteculas alteradas na

ceacutelula viva podem afetar a ceacutelula o tecido ou oacutergatildeo de forma direta se a moleacutecula eacute

criacutetica na funccedilatildeo celular ou indiretamente pelas mudanccedilas quiacutemicas nas moleacuteculas

adjacentes (produccedilatildeo de radicais livres)

9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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9

21 Divisatildeo dos Necircutrons em Grupos de Energias

Os necircutrons assim como os raios X e os raios γ podem ser produzidos numa

larga faixa de energias apresentando propriedades de atenuaccedilatildeo substancialmente

diferentes para diversas energias A divisatildeo dos necircutrons em grupos de energia (En) eacute

arbitraacuteria sendo a utilizada neste trabalho a mesma classificada por GIBSON e PIESCH

[22] ou seja

bull Teacutermico En lt 1 eV

bull Epiteacutermico 1 eV lt En lt 10 KeV e

bull Raacutepido En gt 10 KeV

Os necircutrons teacutermicos satildeo aqueles que estatildeo em equiliacutebrio teacutermico com o meio agrave

temperatura ambiente Isto acontece quando o necircutron ao atravessar a mateacuteria sofre

colisotildees perdendo energia ateacute que atinja uma distribuiccedilatildeo em equiliacutebrio com a dos

aacutetomos e moleacuteculas do meio No equiliacutebrio os necircutrons teacutermicos apresentam uma

distribuiccedilatildeo de velocidade do tipo maxwelliana [22] e a energia mais provaacutevel tem o

valor de 0025 eV a 20 oC

10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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10

22 - Interaccedilatildeo dos necircutrons com o tecido humano

A interaccedilatildeo dos necircutrons com a mateacuteria eacute muito diferente daquela com partiacuteculas

carregadas ou foacutetons pois os necircutrons ignoram a presenccedila dos eleacutetrons da camada

eletrocircnica e natildeo satildeo afetados pelos campos eletrostaacuteticos produzidos pela eletrosfera ou

pelo nuacutecleo Dessa forma os necircutrons passam atraveacutes das camadas eletrocircnicas dos

aacutetomos e vatildeo interagir diretamente com os nucleons dos nuacutecleos dos aacutetomos [23]

Quando os necircutrons interagem com o tecido podem ocorrer reaccedilotildees tais como

espalhamento elaacutestico (n nrsquo) espalhamento inelaacutestico (n nrsquo γ) captura radioativa (n γ)

e produccedilatildeo de partiacuteculas carregadas (n α) (n p) [23] A dose no tecido causada por

necircutrons epiteacutermicos e raacutepidos ocorre principalmente devido aos nuacutecleos de recuo de

hidrogecircnio

Necircutrons teacutermicos propagam-se no tecido ateacute que sejam absorvidos por um nuacutecleo

atocircmico cuja probabilidade eacute dada pela seccedilatildeo de choque do elemento [2324] A seccedilatildeo

de choque para reaccedilotildees nucleares depende diretamente da energia do necircutron (Figura

221) Os produtos destas reaccedilotildees podem ser partiacuteculas diretamente ou indiretamente

ionizantes Por exemplo raios gama ou proacutetons podem ser gerados pelas reaccedilotildees (n γ)

ou (n p) respectivamente De um modo geral a dosimetria de necircutrons torna-se mais

complexa pela coexistecircncia de radiaccedilatildeo gama Na realidade um campo de necircutrons eacute

sempre seguido por um campo de radiaccedilatildeo gama principalmente devido agraves reaccedilotildees de

captura gama provenientes das interaccedilotildees nos materiais constituintes dos geradores de

necircutrons

11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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11

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

01

1

0

100

10

00

1

0000

Seccedilatildeo

de cho

que (b

arnes)

10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

Energia dos Necircutrons (MeV)(A)

Seccedilatildeo

de ch

oque

(barn

es)01

1

0

100

100

0

100

00

Energia dos Necircutrons (MeV)10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0001 001 01 10 100 1000

(B)

Figura 221- Seccedilatildeo de choque microscoacutepica em funccedilatildeo da energia do necircutron para o tecido cerebral (A) seccedilatildeo de choque de espalhamento elaacutestico (B) seccedilatildeo de choque de absorccedilatildeo Graacuteficos gerados pelo coacutedigo MCNPX [20]

12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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12

Algumas reaccedilotildees nucleares que podem ocorrer entre os necircutrons e o tecido humano

satildeo 1H(n γ)2H H(n n)H 14N(n p)14C 14N(n γ)15N 16O(n γ)17O O(n n)O 17C(n

γ)18C e C(n n)C Dentre essas reaccedilotildees a do hidrogecircnio e a do nitrogecircnio produzem

uma significativa deposiccedilatildeo de energia no tecido Devido agrave pequena concentraccedilatildeo no

tecido dos demais elementos como o Na K Ca Cl P e S e por suas baixas seccedilotildees de

choque de interaccedilatildeo com necircutron satildeo despreziacuteveis suas contribuiccedilotildees para a dose total

[9]

Dentre as reaccedilotildees nucleares que ocorrem no tecido a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H apresenta

uma seccedilatildeo de choque microscoacutepica de captura radioativa de 0333 b para necircutrons

teacutermicos [23] e eacute responsaacutevel pela dose em regiotildees que estatildeo de uma maneira geral

afastadas da regiatildeo agrave ser tratada Na realidade os raios gama de 22 MeV provenientes

da reaccedilatildeo 1H(n γ)2H podem percorrer vaacuterios centiacutemetros atraveacutes do tecido podendo

escapar do volume alvo irradiado Outra reaccedilatildeo significativa eacute a 14N(n p)14C que

apresenta seccedilatildeo de choque microscoacutepica de 191 b para necircutrons teacutermicos [23] gera

proacutetons de energia de aproximadamente 06 MeV que podem alcanccedilar uma distacircncia de

10 microm no tecido humano Em situaccedilotildees mais comuns ou seja volumes alvos de tecido

humano com raio maior que 05 cm a reaccedilatildeo 1H(n γ)2H eacute predominante por conta da

maior concentraccedilatildeo de aacutetomos de hidrogecircnio Em regiotildees mais internas do corpo

humano a dose devido aos raios gama pode ser uma ou ateacute duas ordens de grandeza

maior que a dose de proacutetons proveniente da reaccedilatildeo 14N(n p)14C [25]

13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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13

23- Conceitos da BNCT

O tratamento por captura de necircutrons por boro eacute uma teacutecnica de radioterapia binaacuteria

que faz uso de um feixe neutrocircnico atuando simultaneamente com um composto

biodistribuidor natildeo toacutexico de aacutetomos de 10B para terapia de cacircncer O boro-10 tem sido

usualmente o isoacutetopo escolhido devido ser estaacutevel e apresentar uma alta seccedilatildeo de

choque microscoacutepica de captura (σ = 3838 b) para necircutrons com energia de 0025 eV

[24] comparada com as seccedilotildees de choque dos principais elementos constituintes do

tecido humano para necircutrons teacutermicos tais como 019 mb para o oxigecircnio-16 35 mb

para o carbono-12 0333 b para hidrogecircnio e 191 b para o nitrogecircnio-14

respectivamente Ao capturar um necircutron na faixa de energia teacutermica o isoacutetopo

transmuta atraveacutes da reaccedilatildeo 10B5(n α)7Li 3 liberando duas partiacuteculas carregadas uma

partiacutecula alfa e um iacuteon de 7Li 3 como mostra a Figura 231

10B5 + 1n0 rarr [11B5]

4He2+ (178 MeV) R = 97 microm7Li 3 (101 MeV) R = 48 microm(6)

4He2+ (147 MeV) R = 80 microm7Li 3+ (084 MeV) R = 42 micromγ (048MeV)

(94)

R eacute o alcance da partiacutecula no tecido

Figura 231 ndash Diagrama do decaimento do nuacutecleo composto de 11B produzido na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li [26]

14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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14

As partiacuteculas liberadas na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li satildeo de elevada transferecircncia linear de

energia com percurso meacutedio no tecido de aproximadamente 9 microm da ordem de uma

ceacutelula humana Portanto os efeitos causados pelos produtos da reaccedilatildeo nuclear ficam

restritos agrave regiatildeo de interesse O total de energia liberada na reaccedilatildeo 10B(n α)7Li eacute de

279 MeV Sendo que em 94 das reaccedilotildees nucleares um raio gama de 048 MeV eacute

liberado A energia cineacutetica das partiacuteculas eacute transferida em sua maior parte ou seja 231

MeV para tecido tumoral conforme ilustra a Figura 232 Poreacutem 6 das reaccedilotildees 10B(n

α)7Li decaem diretamente para o estado fundamental (Figura 231)

Figura 232 ndash O conceito de BNCT apresentando as etapas onde o feixe de necircutrons epteacutermicos incidente eacute termalizado no tecido ateacute ser capturado pelo Boro nas ceacutelulas tumorais [27]

15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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15

Para possibilitar as reaccedilotildees nucleares um composto com afinidade pelo tecido

cerebral natildeo toacutexico e portador de aacutetomos de boro-10 (carregador de boro) eacute introduzido

no paciente por infusatildeo intravenosa Por conta da maior atividade metaboacutelica do tumor

em relaccedilatildeo ao tecido sadio temos que a concentraccedilatildeo de boro-10 na razatildeo tecidotumor

chega a um diferencial de 13 a 14 dado que as ceacutelulas do tecido tumoral precisam de

aminoaacutecidos para a siacutentese de proteiacutenas e geraccedilatildeo de novas membranas [1628] Um

intervalo de tempo apoacutes os aacutetomos de boro se concentrarem preferencialmente nas

ceacutelulas tumorais a regiatildeo do tumor eacute irradiada com um feixe neutrocircnico

predominantemente epiteacutermico [28] Esses necircutrons satildeo termalizados no tecido a

energias da ordem de 00253 eV sendo em seguida capturados pelos aacutetomos de boro-

10 gerando reaccedilotildees que produzem doses inferiores aos limites maacuteximos aceitaacuteveis no

tecido sadio adjacente Os aacutetomos de 10B ficam num estado ativado devido agrave captura dos

necircutrons moderados e produzem partiacuteculas alfa e iacuteons de 7Li e consequentemente esses

geram ionizaccedilotildees e excitaccedilotildees dentro da ceacutelula cancerosa destruindo a estrutura celular

do tecido doente A eficaacutecia do tratamento estaacute condicionada agrave capacidade bioquiacutemica

do composto de boro de se concentrar preferencialmente no tecido tumoral e de uma

fluecircncia de necircutrons teacutermicos suficiente na regiatildeo do tumor para que a reaccedilatildeo de

captura neutrocircnica ocorra na quantidade necessaacuteria O acuacutemulo preferencial do

composto de boro nas ceacutelulas do tecido tumoral promove um crescimento na quantidade

dos produtos da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li que liberam sua energia com seletividade

microscoacutepica na regiatildeo de interesse Os paracircmetros ideais para a BNCT satildeo

concentraccedilatildeo intracelular de 109 aacutetomos de 10B por ceacutelula tumoral 10 reaccedilotildees de

captura neutrocircnica por ceacutelula e uma fluecircncia de necircutrons teacutermicos da ordem de 1013

ncm2 na regiatildeo do tumor [29]

16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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16

24 - Grandezas e Unidades Dosimeacutetricas 241 - Dose Absorvida

A grandeza dose absorvida eacute definida para fins de caacutelculo em um determinado

ponto da mateacuteria Entretanto em aplicaccedilotildees praacuteticas as doses absorvidas satildeo calculadas

em meacutedia para certo volume de tecido ou oacutergatildeo Entatildeo a dose meacutedia absorvida DT no

volume de um tecido ou oacutergatildeo T eacute definida pela expressatildeo (1) [30]

intint=

T

TT

dVzyx

dVzyxzyxD

D)(

)()(

ρ

ρ (1)

Onde V eacute o volume da regiatildeo do tecido T D eacute a dose absorvida num ponto (xyz) dessa

regiatildeo e ρ eacute a densidade fiacutesica nesse ponto A unidade de dose absorvida eacute o Jkg ou

Gy

242 - Fluecircncia

A fluecircncia Φ eacute o quociente de dN por da onde dN eacute o nuacutemero de foacutetons incidentes

sobre uma esfera de seccedilatildeo de aacuterea da ou seja

Φ = dNda (2)

17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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17

243 - Kerma

O kerma (K) eacute o quociente de dEtr por dm onde dEtr eacute a soma das energias cineacuteticas

iniciais de todas as partiacuteculas carregadas liberadas por partiacuteculas ionizantes no elemento

de material de massa dm [3132] ou seja

dm

dEK tr= (3)

Como o kerma considera a energia recebida pelas partiacuteculas carregadas normalmente

eleacutetrons de ionizaccedilotildees estes podem dissipaacute-la nas colisotildees com outros eleacutetrons

(eleacutetrons-Auger) ou na produccedilatildeo de bremsstrahlung [32] Assim

rc KKK += (4)

onde

cK - kerma de colisatildeo quando a energia eacute dissipada localmente no volume de massa

dm por ionizaccedilotildees ou excitaccedilotildees

rK - kerma de radiaccedilatildeo quando a energia eacute dissipada fora do volume por meio dos

raios X Portanto dose e kerma satildeo idecircnticas quando toda a energia cineacutetica das

partiacuteculas carregadas de recuo eacute depositada na massa dm ou seja a diferenccedila entre

kerma e dose absorvida eacute que esta uacuteltima depende da energia meacutedia absorvida na regiatildeo

de interesse e o kerma depende da energia total depositada no material

Para se estabelecer uma relaccedilatildeo entre kerma e dose absorvida eacute necessaacuterio que

ocorra equiliacutebrio de partiacuteculas carregadas ou seja equiliacutebrio eletrocircnico que ocorre

quando

18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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18

a composiccedilatildeo atocircmica do material eacute homogecircnea

a densidade do material eacute homogecircnea

haacute um campo uniforme de radiaccedilatildeo indiretamente ionizante

natildeo haacute campo eleacutetrico ou magneacutetico natildeo homogecircneo

Sendo assim o kerma de colisatildeo cK eacute igual agrave dose absorvida D ou seja

cKD = (5)

Portanto eacute conveniente descrever um dado campo de radiaccedilatildeo em um dado material em

funccedilatildeo do kerma neste material Sendo o kerma uma medida local de dose pode-se

calcular o kerma em qualquer local no tecido dados os fluxos de necircutrons e de foacutetons o

espectro de energia neste ponto e a seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo do material irradiado

245 - Dose Equivalente

Num tratamento radioteraacutepico para doses absorvidas iguais os efeitos da radiaccedilatildeo

podem ser diferentes A resposta bioloacutegica agrave radiaccedilatildeo ionizante tambeacutem depende do tipo

de radiaccedilatildeo e eacute caracterizada pela Eficiecircncia Bioloacutegica Relativa ndash RBE (do inglecircs

Relative Biological Effectiveness) da radiaccedilatildeo que mede a influecircncia da qualidade da

radiaccedilatildeo nos sistemas bioloacutegicos Para propoacutesitos de radioproteccedilatildeo a RBE eacute

considerada como sendo funccedilatildeo da qualidade da radiaccedilatildeo expressa em termos da

transferecircncia linear de energia Radiaccedilotildees de alta Transferecircncia Linear de Energia ndash

LET (proacutetons necircutrons meacutesons-π partiacuteculas α iacuteons pesados e fragmentos de fissatildeo)

assim denominadas por possuiacuterem um alto poder de ionizaccedilatildeo e uma alta taxa de

transferecircncia de energia em um meio material induzem danos bioloacutegicos maiores que

radiaccedilotildees de baixa LET para um mesmo valor de dose absorvida

19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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19

O valor RBE varia no interior do tecido de acordo com o tipo de radiaccedilatildeo Logo natildeo

eacute possiacutevel determinar um simples valor de RBE Portanto eacute necessaacuterio aplicar ldquofatores

de peso bioloacutegicordquo para as diferentes componentes de dose ou seja para descrever a

dose total da BNCT cada componente de dose de alto LET deve ser multiplicado por

um fator de efetividade bioloacutegica determinado experimentalmente [15] A RBE eacute vaacutelida

apenas quando eacute possiacutevel definir a quantidade dose absorvida Para a dose de boro

(devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li) o conceito de dose absorvida natildeo se aplica por conta da

distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea do composto borado e tambeacutem pelo curto alcance das

partiacuteculas alfa e iacuteons de liacutetio Logo a RBE natildeo pode ser definida e tambeacutem natildeo eacute

possiacutevel determinar o fator de peso bioloacutegico de uma distribuiccedilatildeo natildeo-homogecircnea dos

aacutetomos de boro Apenas o produto desses componentes RBE e distribuiccedilatildeo de aacutetomos

de boro pode ser determinado para um dado tecido em condiccedilotildees experimentais Este

produto eacute correntemente referido como Fator de Composiccedilatildeo (CF) [9] A dose total em

tratamentos com BNCT (DBNCT) pode entatildeo ser definida como a soma das diferentes

contribuiccedilotildees de doses multiplicadas por seus respectivos fatores de peso bioloacutegico [9]

BTTREREBNCT DCFDwDwDwD sdot+sdot+sdot+sdot= γγ (6)

onde γw REw Tw e CF satildeo os pesos bioloacutegicos das componentes gama dos

necircutrons raacutepidos e epiteacutermico necircutrons teacutermicos e boro respectivamente A Tabela 21

apresenta os valores dos fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de

dose em BNCT [15]

20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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20

Tabela 21 ndash Fatores de peso bioloacutegico para as principais componentes de dose em BNCT [15]

Fatores wγ wRE wT CF Tumor 05 32 32 38

Tecido normal 05 32 32 13

Para distinguir as doses absorvidas das doses equivalentes biologicamente ponderadas

a unidade usada para BNCTD eacute denominada RBE-Gy [9]

25- O coacutedigo Monte Carlo MCNP

O meacutetodo de Monte Carlo pode ser utilizado para representar teoricamente um

processo estatiacutestico tal como a interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria sendo

particularmente uacutetil em problemas complexos que natildeo podem ser simulados por

meacutetodos determiniacutesticos Neste meacutetodo os eventos probabiliacutesticos individuais que

compreendem um processo satildeo simulados sequumlencialmente As distribuiccedilotildees de

probabilidade que governam esses eventos satildeo amostradas estatisticamente para

descrever o fenocircmeno que estaacute sendo simulado Este processo de amostragem estatiacutestica

eacute baseado na seleccedilatildeo de nuacutemeros aleatoacuterios para o caacutelculo do transporte de partiacutecula que

se pretende ldquoseguirrdquo A teacutecnica de Monte Carlo consiste em seguir cada partiacutecula desde

o seu ldquonascimentordquo ateacute a sua ldquomorterdquo (escape absorccedilatildeo etc)

Desenvolvido em Los Alamos National Laboratory (EUA) o Monte Carlo N-Particle

(MCNP) [20] eacute um coacutedigo de propoacutesito geral baseado no meacutetodo de Monte Carlo e eacute

atualmente um dos coacutedigos computacionais mais utilizados na aacuterea de transporte de

radiaccedilatildeo envolvendo necircutrons foacutetons e eleacutetrons A capacidade de tratamento de

geometrias complexas em trecircs dimensotildees a opccedilatildeo de estudo de espectros variados de

energia e a variedade de opccedilotildees para dados de entrada faz deste coacutedigo uma ferramenta

muito uacutetil nos campos da pesquisa em Fiacutesica e Engenharia Nuclear

21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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21

A estrutura baacutesica do arquivo de entrada do coacutedigo eacute dividida em trecircs blocos ceacutelulas

superfiacutecies e dados No bloco de ceacutelulas eacute feita a construccedilatildeo da geometria do problema

e a representaccedilatildeo dos materiais que compotildee essa geometria No bloco de superfiacutecies satildeo

selecionadas as formas geomeacutetricas que configuram a geometria do problema No bloco

de dados satildeo definidos o tipo de radiaccedilatildeo a ser simulada (necircutron eleacutetron foacuteton

proacutetons etc) a importacircncia estatiacutestica que finaliza o transporte de partiacuteculas e realiza a

separaccedilatildeo das regiotildees geomeacutetricas de maior importacircncia para as de menor importacircncia

a fonte definindo a sua geometria posiccedilatildeo e espectro de energia e o comando ldquoTALLYrdquo

que especifica o que o usuaacuterio deseja que seja escrito nos dados de saiacuteda ao final de

uma execuccedilatildeo

Para a obtenccedilatildeo dos resultados foram utilizados os comandos (TALLY F4) que

fornece o fluxo meacutedio de partiacuteculas em uma determinada ceacutelula do volume e o

comando (DEDF) que calcula a taxa de reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias permitindo o

caacutelculo do kerma correspondente para cada material especificado Maiores informaccedilotildees

podem ser encontradas no manual do coacutedigo [20]

22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

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rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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22

Capiacutetulo 3

Modelagem do Sistema

Neste capiacutetulo seraacute tratada a abordagem teoacuterica empregada para a realizaccedilatildeo do

estudo dosimeacutetrico do feixe de necircutrons utilizado no presente estudo O simulador de

referecircncia para o caacutelculo de dose foi o fantoma de voxel Zubal [12]

O coacutedigo MCNP simula fluecircncias de necircutrons emitidos pela fonte Sendo assim

todas as doses satildeo calculadas em termos desta grandeza Todas as reaccedilotildees nucleares

com necircutrons de energias menores que 1 eV satildeo contempladas para a dose de necircutrons

teacutermicos (DT) Para fins dosimeacutetricos em BNCT as doses dos necircutrons epiteacutermicos (1

eVlt Enlt 10 keV) e dos necircutrons raacutepidos (Engt 10 keV) satildeo agrupadas em um uacutenico

valor de dose denominado unicamente como dose de necircutrons raacutepidos (DRE) [2833] O

efeito dosimeacutetrico do feixe de necircutrons depende das concentraccedilotildees de 10B no tecido

sadio e tumor Para se obter a parcela de contribuiccedilatildeo da reaccedilatildeo 10B(n α)7Li na

determinaccedilatildeo da dose total a fluecircncia de necircutrons eacute modificada por fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma e entatildeo multiplicadas por um fator de 10 ppm para

representar a concentraccedilatildeo de 10 microg de 10B por grama de tecido sadio ou um fator de

455 ppm para representar a concentraccedilatildeo de 455 microg de 10B por grama de tecido

tumoral Estes valores satildeo tiacutepicos dos tratamentos de BNCT [16]

A componente de dose de foacutetons (Dγ) eacute proveniente dos raios gama oriundos das

interaccedilotildees dos necircutrons com os elementos constituintes do tecido Os foacutetons incidentes

originados da interaccedilatildeo dos necircutrons com o material do irradiador natildeo satildeo considerados

neste trabalho para efeito de caacutelculo de dose O valor limite para dose no tecido sadio

utilizado neste trabalho eacute o valor constante recomendado pelo protocolo de tratamentos

cliacutenicos do Brookhaven National Laboratory (BNL) [34] o qual especifica que a dose

23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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23

absorvida pelo tecido sadio natildeo deve exceder a 125 RBE-Gy em qualquer posiccedilatildeo no

ceacuterebro A Tabela 31 evidencia as propriedades do feixe de necircutrons proposto por

GOORLEY et al [13] utilizado neste estudo para os diferentes diacircmetros de feixe

Tabela 31 - Propriedades do feixe epiteacutermico para diferentes configuraccedilotildees de campo [16]

Diacircmetro do feixe 20 cm 10 cm 6 cm

Fluecircncia requerida na superfiacutecie do ceacuterebro para alcanccedilar a dose limite de 125 RBE-Gy no tecido sadio [ncm2]

225x1012

280x1012

386x1012

Fluxo de necircutrons requerido para 1h de tratamento [ncm2s]

625x108

776x108

1073x108

Nesta dissertaccedilatildeo seratildeo destacados os resultados obtidos nas regiotildees de maior

incidecircncia de casos de tumores com base nos estudos realizados no Massachusetts

Institute of Technology (MIT) EUA [15] Neste estudo observou-se que a regiatildeo onde

houve maior ocorrecircncia de GBM foi a do lobo parietal com 13 pacientes Os outros

casos foram nas regiotildees do taacutelamo lobos temporal frontal e occipital cerebelo e ponte

Em todos os casos foram realizadas intervenccedilotildees ciruacutergicas As doses ministradas

nesses pacientes variaram entre 200 e 550 RBE-Gy para tecido tumoral e de 04 a 162

RBE-Gy no tecido sadio [15] A Tabela 32 mostra a relaccedilatildeo dos pacientes com a

localizaccedilatildeo do tumor e a Figura 31 gerada pelo software de visualizaccedilatildeo

MoritzMCNP ilustra as regiotildees de maior incidecircncia de casos na regiatildeo cefaacutelica

24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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24

Tabela 32 ndash Dados dos pacientes diagnoacutestico e localizaccedilatildeo do tumor no ceacuterebro [15] ID sexo idade massa (kg) diagnoacutestico localizaccedilatildeo

96-2 F 52 491 GBM Parietal Talacircmico 96-3 F 69 732 GBM Parietal Temporal 96-4 M 56 750 GBM Parietal Temporal 97-1 F 66 682 GBM Posterior parietal 97-2 M 53 791 GBM Frontal Parietal 97-3 M 56 941 MM Occipital 97-4 F 63 573 GBM Parietal 97-5 F 58 759 GBM Posterior parietal 97-6 M 60 810 GBM Frontal 97-7 M 54 1445 GBM Parietal 97-8 M 45 895 GBM Frontal Temporal 98-1 M 59 945 GBM Frontal Parietal 98-2 M 24 770 GBM Frontal 98-3 F 73 545 GBM Parietal 98-4 M 52 893 GBM Temporal Parietal 98-5 F 75 614 GBM Parietal 98-6 M 78 818 GBM Parietal Occipital 98-7 M 53 1068 MM Hemisfeacuterio esquerdo 98-8 F 58 620 GBM Ponte Cerebelo 99-1 F 55 848 GBM Temporal 99-2 M 56 825 GBM Posterior temporal 99-3 F 44 691 GBM Parietal

Abreviaturas GBM Glioblastoma Multiforme MM Melanoma Metastaacutetico ID identificaccedilatildeo

ZX

Lobo parietalLobo temporal

Lobo frontalLegenda

Lobo occipitalPonteCerebelo

(a)Z

Y

Taacutelamo

(b)

Figura 31- Localizaccedilotildees das regiotildees de maior incidecircncia de cacircncer no tecido cefaacutelico Em (a) plano XZ Em (b) plano YZ Imagem do fantoma Zubal de cabeccedila e pescoccedilo gerada pelo software de visualizaccedilatildeo MoritzMCNP [35]

25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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25

31 O Fantoma em voxel ZUBAL

Existem basicamente dois modelos ou simuladores computacionais para simular o

transporte de radiaccedilatildeo que podem representar a anatomia do corpo humano com

informaccedilotildees sobre densidade composiccedilatildeo quiacutemica forma tamanho e localizaccedilatildeo dos

oacutergatildeos o modelo matemaacutetico e aquele baseado em imagens de tomografia

computadorizada ou imagem de ressonacircncia magneacutetica

No modelo matemaacutetico os tecidos os oacutergatildeos e o formato do corpo satildeo descritos por

expressotildees matemaacuteticas que representam combinaccedilotildees e intersecccedilotildees de planos

elipsoacuteides cones cilindros circulares e eliacutepticos e toros Embora as caracteriacutesticas

desses modelos matemaacuteticos estejam de acordo com o homem referecircncia com relaccedilatildeo

agraves massas e volumes possuem limitaccedilotildees quanto agrave geometria das formas do corpo

inteiro e dos oacutergatildeos individuais Aleacutem disso a anatomia humana eacute extremamente

complexa para ser realisticamente representada por um singelo conjunto de equaccedilotildees

matemaacuteticas

Como alternativa agrave limitaccedilatildeo imposta pela complexibilidade da anatomia humana

aos simuladores matemaacuteticos surgiu uma nova tendecircncia na construccedilatildeo de modelos

antropomoacuterficos Como resultado simuladores mais realistas satildeo obtidos a partir da

manipulaccedilatildeo de imagens internas do corpo humano Simuladores ou fantomas em voxel

(Volume piXEL) proveacutem de uma sequumlecircncia de imagens digitais de oacutergatildeos e tecidos do

corpo humano que satildeo superpostas por tomografia computadorizada ou ressonacircncia

magneacutetica que mostram aacutereas de seccedilatildeo vistas do topo ao longo do corpo do indiviacuteduo

a ser analisado Esses modelos constituem o uacuteltimo esforccedilo para o aperfeiccediloamento dos

modelos computacionais utilizados em dosimetria e proteccedilatildeo radioloacutegica Os fantomas

em voxels satildeo a representaccedilatildeo real do corpo humano e sua estrutura permite determinar

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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[38] DEVDERSTANDT JJ HAMILTON LJ Nuclear Reactor Analysis New York

Wiley 1976

53

[39] ZAMENHOF RG CLEMENT SD HARLING OK BRENNER JK

WAZER DE at al ldquoMonte Carlo Based Dosimetry and Treatment Planning for

Neutron Capture Therapy of Brain Tumorsrdquo In OK Harling JA Bernard and RG

Zamenhof Editores Neutron Beam Design Development and Performance for

Neutron Capture Therapy v 54 pp 283 - 305 New York Plenum Press 1990

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Fundamentos de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria 3a ed Rio de Janeiro CNEN

Publicaccedilotildees 1991

26

a energia depositada atraveacutes da equaccedilatildeo de transporte da radiaccedilatildeo em niacutevel de oacutergatildeo ou

tecido

O fantoma ZUBAL [12] eacute um modelo 3-D de cabeccedila e pescoccedilo humano criado por

um grupo de pesquisa do Imaging Science da Universidade de Yale EUA liderado pelo

Dr Jorge Zubal Para criar o modelo um conjunto de 124 imagens transversais

espaccediladas de 14 mm foram feitas da cabeccedila de voluntaacuterios saudaacuteveis do sexo

masculino usando ressonacircncia magneacutetica Vinte e duas estruturas cerebrais estatildeo

identificadas amiacutegdala nuacutecleo caudado cerebelo corpo caloso globo paacutelido

hipocampo coacutertex iacutensula caacutepsula interna lobar coacutertex frontal occipital parietal lobo

preacute-frontal e temporal medula oblonga coacutertex motor nervo oacuteptico ponte putacircmen

septo peluacutecido taacutelamo uncus e massa branca Sete estruturas natildeo cefaacutelicas satildeo

identificadas globo ocular os olhos (excluindo a lente) glacircndulas lacrimal lente

glacircndulas tireoacuteide hipoacutefise e a medula espinhal cervical Muitas das estruturas

identificadas na cabeccedila do fantoma ZUBAL entre elas a massa cinzenta tecido

adiposo esqueleto do cracircnio e cartilagem fisiologicamente satildeo irrelevantes e natildeo

precisam ser consideradas como um alvo para o caacutelculo da dose absorvida apenas suas

composiccedilotildees elementares e densidades satildeo importantes para a modelagem do transporte

da radiaccedilatildeo [12] O simulador ZUBAL eacute composto de 85 x 109 x 120 voxels com

dimensatildeo de 22 x 22 x 14 mmsup3 A Tabela 33 mostra as composiccedilotildees dos tecidos no

fantoma ZUBAL

27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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27

Tabela 33 Composiccedilotildees em percentuais de massa e densidade dos materiais que constituem o fantoma Zubal [12]

Elemento Tecido adiposo

Ar Massa Branca

Massa Cinzenta

Fluido cerebral espinhal

Olhos

Lente dos

olhos adulto

Muacutesculo esqueleacutetico

adulto

Esqueleto do cracircnio inteiro adulto

Cartilagem do

esqueleto adulto

Esqueleto esponjoso

Adulto

Cordatildeo espinhal

Pele adulto

Tireoacuteide adulto

1H 114 107 106 111 107 96 102 50 96 85 107 100 104

6C 598 95 194 69 195 143 212 99 404 145 204 119

14N 07 752 18 25 17 57 34 40 22 28 22 42 24

15N 03

16O 278 232 767 661 880 803 646 710 435 744 367 712 645 745

23Na 01 02 02 05 01 01 01 05 01 02 02 02

12Mg 02 01

31P 03 04 01 01 02 81 22 34 04 01 01

16S 01 02 02 01 03 03 03 09 02 02 02 01

17Cl 01 03 03 04 01 01 03 02 03 03 02

Ar 13

19K 03 03 02 04 01 03 01 01

20Ca 176 74

56Fe 01

127I 01

ρ (gcmsup3) 095 00012 1039 1043 1007 1009 107 105 161 110 118 1038 109 105

28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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28

32 A geometria de Irradiaccedilatildeo No arquivo de entrada usado pelo MCNP para a simulaccedilatildeo do transporte de

radiaccedilatildeo o fantoma Zubal estaacute disposto com a face apontando para a direccedilatildeo negativa

do eixo Y e a base do pescoccedilo na origem do plano XY conforme ilustrado na Figura

32

Z

Y (a)

Y

X (b)

Figura 32 - Imagens do fantoma ZUBAL nos planos YZ (a) e XY (b) gerada pelo software MCNP Visual Editor versatildeo 19L [17]

A fonte de necircutrons utilizada na simulaccedilatildeo foi modelada a partir de uma geometria

plana e circular com o feixe central incidindo perpendicularmente agrave superfiacutecie da

cabeccedila a 5 cm desta de acordo com a configuraccedilatildeo geomeacutetrica experimental do feixe

neutrocircnico utilizada em tratamentos de BNCT no MIT-Harvard [15] conforme ilustrado

na Figura 33 Trecircs configuraccedilotildees de campos de diferentes diacircmetros (6 cm 10 cm e 20

29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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29

cm) foram estudadas O feixe com 10 cm de diacircmetro eacute comumente usado nos

tratamentos de BNCT [916] A escolha do diacircmetro de 6 cm eacute baseada no compromisso

de se avaliar as distribuiccedilotildees de dose para feixes com diacircmetros da ordem de volumes

tumorais [16] O feixe de diacircmetro de 20 cm se aproxima da dimensatildeo da cabeccedila

humana sendo entatildeo o maior diacircmetro de interesse praacutetico [16] Todas as configuraccedilotildees

de feixes simulados foram monodirecionais e distribuiacutedos uniformemente em aacuterea

circular segundo a distribuiccedilatildeo f(r) = cR2 onde R eacute o raio da distribuiccedilatildeo e c eacute uma

constante [20]

Figura 33 ndash Configuraccedilatildeo geomeacutetrica de feixe modelado

30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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30

33 Espectro de Necircutrons para BNCT

O espectro de necircutrons utilizado neste trabalho eacute um feixe idealizado para BNCT

proposto por GOORLEY e colaboradores [13] O espectro eacute predominantemente

epiteacutermico (distribuiccedilatildeo de energia 1 eV lt En lt 10 KeV) contaminado com 1 de

necircutrons raacutepidos (10 keV lt En lt 2 MeV) e 10 de contaminaccedilatildeo de necircutrons teacutermicos

(0001 eV lt En lt 1 eV) similar ao feixe idealizado proposto para uso cliacutenico em

tratamentos com BNCT [13] com cada distribuiccedilatildeo de energia obedecendo agrave

distribuiccedilatildeo de energia 1E e possuindo iguais distribuiccedilotildees de letargia A variaacutevel

conhecida como letargia eacute comumente adotada nos graacuteficos que apresentam curvas

obtidas dos espectros de necircutrons com o propoacutesito de facilitar sua visualizaccedilatildeo [36] A

Figura 34 ilustra a distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico adotado no

presente estudo

Fluecirc

ncia

por

uni

dade

de

Leta

rgia

(nc

msup2)

Energia (MeV)

Figura 34 - Distribuiccedilatildeo de energia do feixe de espectro epiteacutermico proposto por GOORLEY e colaboradores [12]

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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Neutron Capture Therapy of Brain Tumorsrdquo In OK Harling JA Bernard and RG

Zamenhof Editores Neutron Beam Design Development and Performance for

Neutron Capture Therapy v 54 pp 283 - 305 New York Plenum Press 1990

[40] TAUHATA L SALATI IPA DI PRINZIO R RDIPRINZIO A

Fundamentos de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria 3a ed Rio de Janeiro CNEN

Publicaccedilotildees 1991

31

34 Caacutelculo da dose

Para o caacutelculo da dose absorvida (em RBE-Gy) nos tecidos e estruturas cerebrais do

fantoma ZUBAL foi usado o comando do MCNP que permite o caacutelculo de taxas de

reaccedilotildees nucleares arbitraacuterias como parte da simulaccedilatildeo (DEDF) Este comando permite

o caacutelculo do espectro e da fluecircncia de necircutrons ou foacutetons permitindo assim a obtenccedilatildeo

do kerma correspondente para cada material especificado no modelo simulado

Os fatores de conversatildeo de fluecircncia para kerma para foacutetons ou necircutrons com energia

superior a 00253 eV foram obtidos da publicaccedilatildeo ICRU Report 46 [37] Os fatores de

conversatildeo de fluecircncia para kerma para necircutrons com energias menores que 00253 eV

foram extrapolados agraves energias da ordem de 10-4 eV utilizando uma interpolaccedilatildeo log-

log executada pelo programa MCNPX [20]

Para energias abaixo de 1 eV o movimento do nuacutecleo alvo eacute fator relevante para

espalhamento de necircutrons teacutermicos [38] Nessas baixas energias a energia do necircutron

incidente eacute comparaacutevel agrave energia teacutermica do aacutetomo do alvo bem como de sua energia

de ligaccedilatildeo quiacutemica Por consequecircncia o movimento teacutermico do aacutetomo alvo altera a

seccedilatildeo de choque de espalhamento assim como a energia resultante do necircutron

espalhado O tratamento da ligaccedilatildeo molecular do hidrogecircnio nos materiais bioloacutegicos

utilizado foi o de espalhamento de necircutrons teacutermicos S(α β) para aacutegua leve a 300 K

[38]

Outro fator importante eacute a correta simulaccedilatildeo das reaccedilotildees de captura neutrocircnica e

subsequumlente produccedilatildeo de foacutetons pelos diferentes elementos constituintes do tecido

humano A biblioteca de seccedilatildeo de choque utilizada neste trabalho foi a ENDF60 que

fornece seccedilotildees de choques de energia contiacutenua e discreta e que utiliza os dados

nucleares baacutesicos da ENDFB-VI [24] incluindo os correspondentes dados de produccedilatildeo

de foacutetons As doses referentes agraves interaccedilotildees dos necircutrons com os aacutetomos de 10B no

32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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32

tecido foram calculadas implicitamente utilizando o comando DEDF do coacutedigo

MCNP que permite que taxas de reaccedilotildees nucleares sejam calculadas para que se

obtenha taxas integradas em energia de kerma total dos necircutrons para as reaccedilotildees

nucleares com os aacutetomos de 10B A razatildeo dessa aproximaccedilatildeo deve-se ao fato de que

para um dado paciente eacute extremamente difiacutecil medir a concentraccedilatildeo de 10B no tecido

cerebral em tempo real e assim a distribuiccedilatildeo espacial atual dos aacutetomos de 10B natildeo

sendo conhecida em ambos preacute e poacutes-irradiaccedilatildeo natildeo poderia ser explicitamente

simulada pelo MCNP Os valores de concentraccedilatildeo de 10B utilizados se baseiam nos

dados de biodistribuiccedilatildeo obtidos durante a cirurgia e experimentos com tomografia por

emissatildeo de poacutesitrons - PET [1539]

A versatildeo MCNPX utilizada no presente trabalho foi executada em um modo de

comando ldquon prdquo ou seja simulando a fonte de necircutrons com geraccedilatildeo subsequumlente de

foacutetons apoacutes as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com o tecido O comando TALLY F4

que fornece o fluxo meacutedio sobre uma ceacutelula e um total de 50 milhotildees de histoacuterias foram

usados obtendo-se uma precisatildeo estatiacutestica da ordem de 1

33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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33

Capiacutetulo 4

Resultados

Os resultados obtidos seratildeo apresentados em duas etapas A primeira parte descreve

as distribuiccedilotildees de dose nos tecidos especiacuteficos da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo do

fantoma ZUBAL para os feixes neutrocircnicos de 6 10 e 20 cm de diacircmetro A segunda

parte avalia as contribuiccedilotildees secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total nas regiotildees de

maior incidecircncia de tumores e nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

41 Distribuiccedilotildees de dose para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro

As Figuras 41 42 43 apresentam os valores das doses totais nos tecidos sadio e

tumoral para os feixes de 6 10 e 20 cm de diacircmetro respectivamente

Figura 41 ndash Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 6 cm de diacircmetro

34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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34

Figura 42 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro

Figura 43 - Doses maacuteximas estimadas nos tecidos sadios e tumoral para o feixe neutrocircnico de 20 cm de diacircmetro

35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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35

Analisando as distribuiccedilotildees de dose para tumores localizados em diferentes tecidos

no simulador de cabeccedila e pescoccedilo (Figuras 41 42 e 43) observa-se que as doses

maacuteximas para os diferentes diacircmetros apresentam-se no lobo parietal com valores de

3722 RBE-Gy para o feixe de 6 cm de diacircmetro 8881 RBE-Gy para o feixe de 10 cm

e 4196 RBE-Gy para o diacircmetro de 20 cm Observa-se tambeacutem que nos tecidos natildeo

cefaacutelicos (paroacutetida glacircndula lacrimal olhos lente dos olhos globo ocular hipoacutefise

medula espinhal e tireoacuteide) as doses absorvidas satildeo baixas (em geral com valores

menores que 10 RBE-Gy) tendo praticamente o mesmo valor para os feixes com

diacircmetros de 6 cm e 10 cm e seu maior valor para o diacircmetro de 20 cm

Enquanto nos tratamentos convencionais com irradiaccedilotildees fracionadas com feixes

externos de raios X as doses satildeo ministradas amplamente no tecido cerebral a Tabela

42 evidencia a habilidade dos feixes de necircutrons utilizados de minimizar as doses no

tecido normal quando a dose de referecircncia eacute liberada no tumor aleacutem de minimizar as

doses nos demais tecidos radiosenssiacuteveis da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo

36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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36

Tabela 42 ndash Doses em RBE-Gy estimadas nos tecidos tumoral e sadio em funccedilatildeo dos diacircmetros de feixe estudados Destaque para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

OacutergatildeosTecidos

diacircmetro de 6 cm diacircmetro de 10 cm diacircmetro de 20 cm

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

tecido

sadio

tecido

tumoral

AMIacuteGDALA 083 497 149 1058 251 641

NUacuteCLEO CALDADO 237 1825 552 4175 303 2401

CEREBELO 024 118 069 380 068 429

COacuteRTEX CEREBRAL 177 1436 452 3658 294 2393

CORPO CALOSO 211 1679 533 4261 310 2469

LOBO FRONTAL 239 1965 582 4758 338 2772

GLOBO PAacuteLIDO 192 1480 451 3584 259 1998

HIPOCAMPO 071 459 213 1342 146 1040

COacuteRTEX INSULAR 115 849 319 2379 244 1908

CAacutePSULA INTERNA 196 1489 502 3956 268 2080

NUacuteCLEO LENTIFORME 170 1318 421 3328 260 2016

MEDULA OBLONGA 027 112 081 337 054 310

COacuteRTEX MOTOR 109 819 351 2939 337 2748

LOBO OCCIPITAL 066 495 200 1565 236 1904

NERVO OgravePTICO 034 204 071 382 107 755

LOBO PARIETAL 441 3722 1049 8881 499 4196

PONTE 057 354 165 974 110 738

LOBO PRE-FRONTAL 128 1039 423 3378 387 3217

PUTAcircMEN 161 1253 409 3227 260 2023

SEPTO PELUacuteCIDO 268 1886 530 4458 279 2168

MEDULA ESPINHAL 008 019 025 067 030 156

LOBO TEMPORAL 057 376 161 1104 162 1218

TAacuteLAMO 198 1513 472 3686 262 2010

UNCUS 055 357 163 1091 135 956

MASSA BRANCA 194 1573 499 4023 314 2557

GLOBO OCULAR 014 064 044 213 068 450

OLHOS 016 079 055 329 080 564

LENTE DOS OLHOS 009 028 043 151 066 342

GLAcircNDULA LACRIMAL 012 051 047 251 109 721

PAROacuteTIDA 008 025 021 063 047 290

HIPOacuteFISE 094 477 232 1339 139 911

TIREOacuteIDE 003 005 011 021 025 142

Observa-se que para as modelagens utilizadas as doses estimadas nos tecidos sadio

e tumoral alcanccedilam uma diferenccedila meacutedia de 85 No tecido tumoral o comportamento

37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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37

observado foi o aumento no valor da dose com o aumento do diacircmetro do feixe de 6 cm

para 10 cm Poreacutem tal comportamento natildeo foi observado para todos os tecidos quando

o diacircmetro eacute aumentado de 10 cm para 20 cm Neste caso houve uma reduccedilatildeo na dose

para a maioria dos oacutergatildeos estudados No tecido sadio o comportamento foi semelhante

ao do tecido tumoral diferindo apenas nas regiotildees natildeo cefaacutelicas Comparando os

valores de dose obtidos para os feixes de 6 cm e 20 cm de diacircmetro observa-se um

aumento no valor da dose tanto no tecido sadio quanto no tumoral

Tendo em vista que o menor valor de dose em que se pode obter vantagem

terapecircutica eacute da ordem de 160 RBE-Gy [16] pode se considerar viaacutevel o uso do feixe

de 6 cm de diacircmetro para tratamento de tumores localizado no lobo parietal regiatildeo

cerebral onde ocorre a maior incidecircncia de GBM conforme descrito por ZAMENHOF

e colaboradores [15] e mostrada na Tabela 32 As demais regiotildees que tambeacutem podem

ser tratadas pois as doses equivalentes estatildeo acima do limiar onde se obteacutem vantagem

terapecircutica (160 RBE-Gy) usando o feixe de 6 cm de diacircmetro satildeo nuacutecleo caldado

corpo caloso lobo frontal lobo parietal e septo peluacutecido Para o diacircmetro de 10 cm a

viabilidade eacute para as regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex cerebral corpo caloso lobo

frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo lentiforme coacutertex motor

lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo peluacutecido taacutelamo e massa branca Para o

diacircmetro de 20 cm eacute viaacutevel tratar tumores nas regiotildees do nuacutecleo caldado coacutertex

cerebral corpo caloso lobo frontal globo paacutelido coacutertex insular caacutepsula interna nuacutecleo

lentiforme coacutertex motor lobo occipital lobo parietal lobo pre-frontal putacircmen septo

peluacutecido taacutelamo e massa branca Este estudo mostra que eacute possiacutevel alcanccedilar os valores

de doses nos tumores cerebrais compatiacuteveis com aqueles valores presentes em

tratamento de BNCT sem a realizaccedilatildeo de craniotomia

38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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38

42 Contribuiccedilotildees das componentes secundaacuterias de dose no caacutelculo da dose total para as regiotildees de maior incidecircncia de tumores

A dose total em BNCT eacute obtida pela soma de todas as componentes individuais

resultantes de todas as reaccedilotildees nucleares dos necircutrons com os elementos constituintes

do tecido Sendo a dose devido a reaccedilatildeo 10B(n α)7Li a principal componente terapecircutica

e a principal componente responsaacutevel pelo efeito no tumor alvejado as componentes

restantes (teacutermica raacutepida e foacutetons) denominadas componentes secundaacuterias de dose

podem ser consideradas como parcela indesejaacutevel da dose total em BNCT [16]

As Figuras 44 45 e 46 ilustram as variaccedilotildees das diferentes contribuiccedilotildees

individuais de dose absorvida no tecido sadio para os feixes de 6 10 e 20 cm de

diacircmetro respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores na cabeccedila

(Tabela 32)

Figura 44 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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Publicaccedilotildees 1991

39

Figura 45 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

Figura 46 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido sadio nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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Publicaccedilotildees 1991

40

Analisando as Figuras 44 45 e 46 verifica-se que de uma forma geral as

componentes de dose no tecido sadio natildeo apresentam um comportamento linear em

relaccedilatildeo ao diacircmetro do feixe Nas regiotildees do cerebelo e ponte tem-se que o percentual

de dose devido aos foacutetons eacute maior para o feixe com diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao

fato da geraccedilatildeo de raios gama de 22 MeV atraveacutes da reaccedilatildeo sup1H(n γ)sup2H ter um alcance

maior no tecido Como os necircutrons satildeo termalizados e capturados agrave medida que

penetram no tecido a dose devido a reaccedilatildeo (n α) apresenta um menor valor para o feixe

de 6 cm de diacircmetro devido ao fato do cerebelo e da ponte estarem numa regiatildeo mais

profunda do ceacuterebro tendo seus valores aumentados para os diacircmetros de 10 e 20 cm

por conta do aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos devido ao aumento do nuacutemero

de necircutrons epiteacutermicos termalizados fora do volume alvo projetado Para as regiotildees do

lobo temporal occipital e taacutelamo tecircm-se a maior contribuiccedilatildeo da dose boro para todos

os diacircmetros mesmo assim a dose devido aos foacutetons tem um percentual elevado

comparado ao da dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) pois esses tecidos estatildeo em uma regiatildeo

mais interna da cabeccedila (Figura 31) Nas regiotildees do lobo parietal e frontal observa-se

um comportamento semelhante das componentes de dose para todos os diacircmetros isto

porque essas regiotildees satildeo as mais externas do ceacuterebro (Figura 31) tendo um valor maior

para a dose devido agrave reaccedilatildeo (n α) As doses de necircutrons raacutepidos e teacutermicos contemplam

juntas aproximadamente 20 da dose total no tecido sadio para todos os diacircmetros de

feixe estudados Nas regiotildees da ponte e do taacutelamo a dose de necircutrons raacutepidos devido a

reaccedilatildeo 14N(np)14C diminui quando diminui o diacircmetro do feixe devido ao aumento da

quantidade de necircutrons espalhados por conta da maior quantidade de tecido irradiado

Para o tecido tumoral as Figuras 47 48 e 49 apresentam as variaccedilotildees das

diferentes contribuiccedilotildees individuais de dose absorvida para os diacircmetros de feixe de 6

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

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BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

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Publicaccedilotildees 1991

41

10 e 20 cm respectivamente nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores estudados

neste trabalho

Figura 47 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 6 cm de diacircmetro

Figura 48 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 10 cm de diacircmetro

42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

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42

Figura 49 ndash Distribuiccedilatildeo percentual das componentes individuais de dose no tecido tumoral nas regiotildees de maior incidecircncia de tumores correspondente ao feixe de 20 cm de diacircmetro

Como previsto devido agrave concentraccedilatildeo de 45 ppm de 10B a dose boro tem o maior

percentual na dose total no tecido tumoral em todas as regiotildees e para todos os feixes

Observa-se tambeacutem que a contribuiccedilatildeo da dose dos necircutrons raacutepidos e teacutermicos na dose

total apresenta um percentual abaixo de 5 em todos os tecidos e para todos os

diacircmetros A dose de foacutetons apresentou-se como a componente secundaacuteria que tem o

maior valor percentual Para a regiatildeo do cerebelo a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons na

dose total do tecido tumoral foi 1123 para o feixe de 6 cm de diacircmetro 885 para o

feixe de 10 cm e 666 para o diacircmetro de 20 cm Outras regiotildees que apresentaram um

percentual acima de 5 de dose foacutetons foram ponte com 589 para o diacircmetro de 6

cm 755 para o diacircmetro de 10 cm e 574 para o diacircmetro de 20 cm lobo temporal

com 585 para o diacircmetro de 6 cm e 512 para o diacircmetro de 10 cm A regiatildeo do

lobo parietal apresentou o menor percentual de contribuiccedilatildeo secundaacuteria na dose total

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

Referecircncias bibliograacuteficas

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Boron Necircutron Capture Therapyrdquo Nuclear Instruments an Methods in Physics

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structures of the brain and head using a high-resolution voxel-based head phantomrdquo Int

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[13] GOORLEY J T PALMER M R ZAMENHOF RG et al ldquoTreatment

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[14] BRIESMEISTER JF MCNP - A General Monte Carlo N-Particle Transport

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[15] ZAMENHOF RG CLEMENT SD HARLING OK BRENNER JK

WAZER DE MADOC-JONES H YANCH JC ldquoReference Dosimetry

Calculations for Neutron Capture Therapy with Comparison of Analytical and Voxels

Modelsrdquo Medical Physics v 29 n 2 pp 145-156 USA 2002

[16] SOUSA E M ldquoEfeito de interaccedilotildees secundaacuterias no caacutelculo de dose em

tratamentos com captura de necircutrons por boro - BNCTrdquo Dissertaccedilatildeo de Mestrado

Instituto de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria ndash IRD Rio de Janeiro RJ Brasil 2003

[17] D W MUNDY T JEVREMOVIC ldquoMonte Carlo assessment of Boron Neutron

Capture Therapy for the treatment of breast cancerrdquo Nuclear Technology e Radiation

Protection 2005

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Boron Neutron Capture Therapy of human explanted liverrdquo American Association of

Physicists in Medicine 2007

51

[19] KATARZYNA T ldquo Monte Carlo calculations of epithermal and fast neutron dose

in a human head model for Boron Neutron Capture Therapyrdquo Pol J Med Phys Eng

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[20] X-5 Monte Carlo Team 2003 MCNP ndash A General Monte Carlo N-Particle

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Fundamentos de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria 3a ed Rio de Janeiro CNEN

Publicaccedilotildees 1991

43

para o tecido tumoral totalizando 466 para o diacircmetro feixe de 10 cm 468 para o

diacircmetro de 6 cm e 472 para o diacircmetro de 20 cm

421 Regiotildees natildeo cefaacutelicas

As regiotildees natildeo cefaacutelicas apresentaram valores de doses abaixo dos limites toleraacuteveis

no tecido sadio Os valores totais e suas componentes para os feixes de 6 cm 10 cm e

20 cm de diacircmetros satildeo apresentados nas Tabelas 43 44 e 45 respectivamente

Tabela 43 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 6 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 008 327 104 1211 7422

Globo ocular 014 583 106 2810 6501

Olhos 016 672 124 3244 596

Lente dos olhos 009 773 129 1616 7482

Glacircndula lacrimal 012 1041 174 2552 6233

Paroacutetida 008 650 235 1582 7533

Hipoacutefise 094 1444 544 3293 4719

Tireoacuteide 003 101 813 374 8712

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

Referecircncias bibliograacuteficas

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692-708 1935

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[3] MARTINEZCG Orton MOULD RF Brachytherapy HDR and LDR

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[26] FIRESTONE RB SHIRLEY VS BAGLIN CM CHU SY ZIPKIN J

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[27] Cancer Facts and Figures In American Cancer Society Atlanta 1991

[28] BISCEGLIE E COLONNA N SANTORELLI P VARIALE V ldquoOn the

Optimal Energy of Epithermal Neutron Beams for BNCT ldquo Phys Med Biol v 45 pp

49-58 Italy 2000

52

[29] CAMPOS TPR ldquoConsideraccedilotildees sobre a Terapia de Captura de Necircutrons pelo

Borordquo Revista Brasileira de Cancerologia v 46 n 3 pp 283-292 2000

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Radiological Protection Pergamon Press Oxford 2008

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and Compounds for Neutron Energies Below 30 MeV Int J Appl Radiat Isot v 33

pp 1227-1262 USA 1982

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Unidades para Radiaccedilatildeo Ionizante Rio de Janeiro CNEN-MCT Publicaccedilotildees 2002

[33] CORNELIS P J KONIJNENBERG M W MIJNHEER B J ldquoClinical

dosimetry of an epithermal neutron beam for neutron capture therapy dose distributions

under reference conditionsrdquo Int J Radiat Oncol Biol Phys v 37 n 2 pp 941-951

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at the Brookhaven Medical Research Reactor A Phase III Study FDA IND 43317

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53

[39] ZAMENHOF RG CLEMENT SD HARLING OK BRENNER JK

WAZER DE at al ldquoMonte Carlo Based Dosimetry and Treatment Planning for

Neutron Capture Therapy of Brain Tumorsrdquo In OK Harling JA Bernard and RG

Zamenhof Editores Neutron Beam Design Development and Performance for

Neutron Capture Therapy v 54 pp 283 - 305 New York Plenum Press 1990

[40] TAUHATA L SALATI IPA DI PRINZIO R RDIPRINZIO A

Fundamentos de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria 3a ed Rio de Janeiro CNEN

Publicaccedilotildees 1991

44

Tabela 44 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 10 cm diacircmetro

Tabela 45 ndash Dose total e distribuiccedilatildeo percentual das componentes de dose nos tecidos natildeo cefaacutelicos para o feixe de 20 cm diacircmetro

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos

Boro Foacutetons

Medula espinhal 025 362 517 1347 7774

Globo ocular 044 667 115 3138 6079

Olhos 055 851 067 4060 5022

Lente dos olhos 043 1440 022 2030 6508

Glacircndula lacrimal 047 1464 128 3477 4931

Paroacutetida 021 650 361 1601 7387

Hipoacutefise 232 1734 449 3879 3937

Tireoacuteide 011 229 500 797 8475

Tecido sadio Dose total (RBE-Gy)

Necircutrons teacutermicos

Necircutrons raacutepidos Boro Foacutetons

Medula espinhal 030 949 193 3481 5377

Globo ocular 068 949 1186 4540 3325

Olhos 080 1034 880 4936 3150

Lente dos olhos 066 2343 1143 3413 3101

Glacircndula lacrimal 109 1855 1030 4562 2553

Paroacutetida 047 1728 514 4223 3534

Hipoacutefise 139 1874 240 4523 3363

Tireoacuteide 025 1116 133 3781 4969

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

Referecircncias bibliograacuteficas

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[39] ZAMENHOF RG CLEMENT SD HARLING OK BRENNER JK

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Neutron Capture Therapy of Brain Tumorsrdquo In OK Harling JA Bernard and RG

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Fundamentos de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria 3a ed Rio de Janeiro CNEN

Publicaccedilotildees 1991

45

Para o feixe de 6 cm de diacircmetro (Tabela 43) tem-se valores da dose total inferiores

a 100 RBE-Gy em todas as estruturas natildeo cefaacutelicas (tecidos sadios) Constatou-se

tambeacutem que o maior percentual de contribuiccedilatildeo de dose em todos os tecidos foi devido

a componente secundaacuteria de foacutetons Esse percentual para a dose foacutetons se deve ao

grande nuacutemero de reaccedilotildees do tipo sup1H(n γ)sup2H que produz foacutetons de 22 MeV que tem

grande poder de penetraccedilatildeo no tecido bioloacutegico

Com relaccedilatildeo ao diacircmetro de 10 cm (Tabela 44) verificou-se um aumento nos valores

das doses totais nos tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm e na regiatildeo da hipoacutefise

alcanccedilou o valor de 232 RBE-Gy O percentual de dose de foacutetons diminuiu com

exceccedilatildeo da regiatildeo da medula espinhal Para a dose boro houve um aumento no seu

percentual em todos os tecidos comparado ao diacircmetro de 6 cm Isso se deve ao fato do

aumento da fluecircncia de necircutrons teacutermicos nas regiotildees mais internas com o aumento do

diacircmetro do feixe jaacute que a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B eacute a mesma para todas as

configuraccedilotildees simuladas Para a componente dos necircutrons raacutepidos verificou-se uma

reduccedilatildeo no percentual comparado ao diacircmetro de 6 cm exceto na regiatildeo do globo

ocular e da paroacutetida O percentual da componente dos necircutrons teacutermicos aumentou em

todas as regiotildees com exceccedilatildeo da paroacutetida

Para o feixe de 20 cm de diacircmetro (Tabela 45) observa-se aumento dos valores da

dose exceto na regiatildeo da hipoacutefise quando comparados aos feixes de diacircmetros

menores A componente dos necircutrons teacutermicos tambeacutem apresentou um aumento em

relaccedilatildeo aos diacircmetros de 6 e 10 cm em todos os tecidos O percentual de dose de

necircutrons raacutepidos apresentou um comportamento curioso para o feixe de 20 cm de

diacircmetro Nas regiotildees do globo ocular olhos lente dos olhos glacircndula lacrimal e

paroacutetida constatou-se um aumento acentuado no percentual de dose dos necircutrons

teacutermicos comparado aos valores obtidos pelos os feixes de menores diacircmetros A dose

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

Referecircncias bibliograacuteficas

[1] CHADWICK J ldquoThe Existence of a Neutronrdquo Proc Roy Soc Lond A v 136 pp

692-708 1935

[2] BARTH RF SOLOWAY AH FAIRCHIEKD RG ldquoBoron Neutron Capture

Therapy for Cancerrdquo Sci Amer pp 100-107 1990

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[17] D W MUNDY T JEVREMOVIC ldquoMonte Carlo assessment of Boron Neutron

Capture Therapy for the treatment of breast cancerrdquo Nuclear Technology e Radiation

Protection 2005

[18] S BORTOLUSSI S ALTIERI ldquoThermal neutron irradiation field design for

Boron Neutron Capture Therapy of human explanted liverrdquo American Association of

Physicists in Medicine 2007

51

[19] KATARZYNA T ldquo Monte Carlo calculations of epithermal and fast neutron dose

in a human head model for Boron Neutron Capture Therapyrdquo Pol J Med Phys Eng

200814(2)79-85 Institute of Atomic Energy Otwock-Swierk

[20] X-5 Monte Carlo Team 2003 MCNP ndash A General Monte Carlo N-Particle

Transport Code Version 5 Volume I Overview and Theory LA-UR-03-1987 Los

Alamos National Laboratory USA

[21] The Modern Technology of Radiation Oncology ndash A Compendium for Medical

Physicists and Radiation Oncologists 1a ediccedilatildeo EUA Medical Physics Publishing

2000

[22] GIBSON J A B PIESCH E 1985 Neutron Monitoring for Radioloacutegical

Protection Technical Reports Series 252 IAEA Viena

[23] LAMARSH J R Introdution to Nuclear Reactor Theory Addision-Wesley

Publishing Company 1978

[24] CROSS SECTION EVALUATION WORKING GROUP ENDFB-VI summary

documentation BNL-NCS-17541 National Nuclear Data Center Brookhaven National

Laboratory Upton NY 1991

[25] KORTESNIEMI M Solutions for Clinical Implementation of Boron Neutron

Capture Therapy in Finland PhD thesis University of Helsinki Yliopistopaino

Finland 2002

[26] FIRESTONE RB SHIRLEY VS BAGLIN CM CHU SY ZIPKIN J

Table of Isotopes 8ordf ed 1996

[27] Cancer Facts and Figures In American Cancer Society Atlanta 1991

[28] BISCEGLIE E COLONNA N SANTORELLI P VARIALE V ldquoOn the

Optimal Energy of Epithermal Neutron Beams for BNCT ldquo Phys Med Biol v 45 pp

49-58 Italy 2000

52

[29] CAMPOS TPR ldquoConsideraccedilotildees sobre a Terapia de Captura de Necircutrons pelo

Borordquo Revista Brasileira de Cancerologia v 46 n 3 pp 283-292 2000

[30] ICRP 103 Recommendations of the ICRP International Commission on

Radiological Protection Pergamon Press Oxford 2008

[31] CASWELL R S COYNE J J RANDOLPH ML ldquoKerma Factors of Elements

and Compounds for Neutron Energies Below 30 MeV Int J Appl Radiat Isot v 33

pp 1227-1262 USA 1982

[32] TAUHATA L RAMOS MMO DI PRINZIO MARR Grandezas e

Unidades para Radiaccedilatildeo Ionizante Rio de Janeiro CNEN-MCT Publicaccedilotildees 2002

[33] CORNELIS P J KONIJNENBERG M W MIJNHEER B J ldquoClinical

dosimetry of an epithermal neutron beam for neutron capture therapy dose distributions

under reference conditionsrdquo Int J Radiat Oncol Biol Phys v 37 n 2 pp 941-951

USA 1997

[34] CHANANA AD Boron Neutron Capture Therapy of Glioblastoma Multiforme

at the Brookhaven Medical Research Reactor A Phase III Study FDA IND 43317

Protocol 4 Brookhaven National Laboratory 1996

[35] Van Riper K A MORITZ Geometry Toll Userrsquos Manual An Interactive

Geometry EditorViewer for MCNP amp MCNPX White Rock Science USA 2006

[36] TRS 1982 ldquoDosimetry for Criticality Accidentsrdquo International Atomic Energy

Agency ndash IAEA Technical Report Series nordm 211 Vienna

[37] ICRU Photon Electron Proton and Neutron Interaction Data for Body Tissues

ICRU Report 46 International Commission on Radiation Units and Measurement

Bethesda MD 1992

[38] DEVDERSTANDT JJ HAMILTON LJ Nuclear Reactor Analysis New York

Wiley 1976

53

[39] ZAMENHOF RG CLEMENT SD HARLING OK BRENNER JK

WAZER DE at al ldquoMonte Carlo Based Dosimetry and Treatment Planning for

Neutron Capture Therapy of Brain Tumorsrdquo In OK Harling JA Bernard and RG

Zamenhof Editores Neutron Beam Design Development and Performance for

Neutron Capture Therapy v 54 pp 283 - 305 New York Plenum Press 1990

[40] TAUHATA L SALATI IPA DI PRINZIO R RDIPRINZIO A

Fundamentos de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria 3a ed Rio de Janeiro CNEN

Publicaccedilotildees 1991

46

devido agrave reaccedilatildeo (n α) apresentou um percentual maior que a dose de foacutetons na maioria

das regiotildees exceto na medula espinhal e na tireoacuteide Isso se deve ao aumento da

fluecircncia de necircutrons teacutermicos o que aumenta a ocorrecircncia das reaccedilotildees do tipo 10B(n

α)7Li nas regiotildees mais internas da cabeccedila Observa-se tambeacutem que quanto maior o

percentual da dose boro maior eacute a dose total com exceccedilatildeo da regiatildeo da hipoacutefise

A escolha do diacircmetro de feixe a ser usado depende de muitos fatores Entre eles

deve estar presente a dose nas demais regiotildees radiossensiacuteveis De acordo com o

Princiacutepio da Otimizaccedilatildeo a dose no tecido sadio deve ser a menor possiacutevel [40]

Portanto esse estudo fornece uma informaccedilatildeo importante no tocante agraves doses nos

tecidos sadios da regiatildeo de cabeccedila e pescoccedilo submetidos a tratamento com a teacutecnica da

BNCT

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

Referecircncias bibliograacuteficas

[1] CHADWICK J ldquoThe Existence of a Neutronrdquo Proc Roy Soc Lond A v 136 pp

692-708 1935

[2] BARTH RF SOLOWAY AH FAIRCHIEKD RG ldquoBoron Neutron Capture

Therapy for Cancerrdquo Sci Amer pp 100-107 1990

[3] MARTINEZCG Orton MOULD RF Brachytherapy HDR and LDR

proceedings brachytherapy meeting remote afterloading eds Michigan 1990

[4] ROGUS RD Design and Dosimetry of Epithermal Neutron Beans for Clinical

Trials of Boron Neutron Capture Therapy at MITR Reactor PhD thesis MIT

Massachusetts USA 1994

[5] Cancer Facts and Figures In American Cancer Society Atlanta 1991

[6] PEREZ CA BRADLE LW Principles and Practice of Radiation Oncology 3

ed Lippincott ndash Raven 1997

[7] RONDINELLI P I P MARTINEZ C A O ldquoMetaacutestases intrarraquidianas de

glioblastoma multiforme supratentorial da infacircncia Relato de casordquo Arq Neuropsiquiatr

200260(3-A)643-646

[8] NELSON JS TSUKADA Y SHOENFEKD D et al ldquoNecrosis as a Prognostic

Criterion in Malignant Supratentorial Astorcytic Gliomasrdquo Cancer v 52 n 3 pp 550-

554 1983

[9] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY (IAEA) Current Status of

Neutron Capture Therapy In IAEA-Tecdoc-1223 IAEA Wien 2001

[10] LOCHER GL ldquoBiological Efects and Therapeutic Possibilities of Neutronsrdquo

American Journal of Roentgenology and Radium Therapy v 36 pp 1-13 1936

50

[11] MARASHI M K ldquoAnalysis of Absorbed Dose Distribution in Head Phantom in

Boron Necircutron Capture Therapyrdquo Nuclear Instruments an Methods in Physics

Research v 440 pp 446-452 Iran 2000

[12] JEFFREY F E THOMAS E B NILENDU G ldquoAbsorbed dose estimates to

structures of the brain and head using a high-resolution voxel-based head phantomrdquo Int

Medical Physics Vol 28 No 5 May 2001

[13] GOORLEY J T PALMER M R ZAMENHOF RG et al ldquoTreatment

Planning and Dosimetry for the Harvard-MIT Phase I Clinical Trial of Cranial Neutron

Capture Therapyrdquo Int J Radiation Oncology Biol Phys vol 53 n5 pp 1361-1379

USA 2002

[14] BRIESMEISTER JF MCNP - A General Monte Carlo N-Particle Transport

Code Version 4B Los Alamos National Laboratory J F Briesmeister edit 1997

[15] ZAMENHOF RG CLEMENT SD HARLING OK BRENNER JK

WAZER DE MADOC-JONES H YANCH JC ldquoReference Dosimetry

Calculations for Neutron Capture Therapy with Comparison of Analytical and Voxels

Modelsrdquo Medical Physics v 29 n 2 pp 145-156 USA 2002

[16] SOUSA E M ldquoEfeito de interaccedilotildees secundaacuterias no caacutelculo de dose em

tratamentos com captura de necircutrons por boro - BNCTrdquo Dissertaccedilatildeo de Mestrado

Instituto de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria ndash IRD Rio de Janeiro RJ Brasil 2003

[17] D W MUNDY T JEVREMOVIC ldquoMonte Carlo assessment of Boron Neutron

Capture Therapy for the treatment of breast cancerrdquo Nuclear Technology e Radiation

Protection 2005

[18] S BORTOLUSSI S ALTIERI ldquoThermal neutron irradiation field design for

Boron Neutron Capture Therapy of human explanted liverrdquo American Association of

Physicists in Medicine 2007

51

[19] KATARZYNA T ldquo Monte Carlo calculations of epithermal and fast neutron dose

in a human head model for Boron Neutron Capture Therapyrdquo Pol J Med Phys Eng

200814(2)79-85 Institute of Atomic Energy Otwock-Swierk

[20] X-5 Monte Carlo Team 2003 MCNP ndash A General Monte Carlo N-Particle

Transport Code Version 5 Volume I Overview and Theory LA-UR-03-1987 Los

Alamos National Laboratory USA

[21] The Modern Technology of Radiation Oncology ndash A Compendium for Medical

Physicists and Radiation Oncologists 1a ediccedilatildeo EUA Medical Physics Publishing

2000

[22] GIBSON J A B PIESCH E 1985 Neutron Monitoring for Radioloacutegical

Protection Technical Reports Series 252 IAEA Viena

[23] LAMARSH J R Introdution to Nuclear Reactor Theory Addision-Wesley

Publishing Company 1978

[24] CROSS SECTION EVALUATION WORKING GROUP ENDFB-VI summary

documentation BNL-NCS-17541 National Nuclear Data Center Brookhaven National

Laboratory Upton NY 1991

[25] KORTESNIEMI M Solutions for Clinical Implementation of Boron Neutron

Capture Therapy in Finland PhD thesis University of Helsinki Yliopistopaino

Finland 2002

[26] FIRESTONE RB SHIRLEY VS BAGLIN CM CHU SY ZIPKIN J

Table of Isotopes 8ordf ed 1996

[27] Cancer Facts and Figures In American Cancer Society Atlanta 1991

[28] BISCEGLIE E COLONNA N SANTORELLI P VARIALE V ldquoOn the

Optimal Energy of Epithermal Neutron Beams for BNCT ldquo Phys Med Biol v 45 pp

49-58 Italy 2000

52

[29] CAMPOS TPR ldquoConsideraccedilotildees sobre a Terapia de Captura de Necircutrons pelo

Borordquo Revista Brasileira de Cancerologia v 46 n 3 pp 283-292 2000

[30] ICRP 103 Recommendations of the ICRP International Commission on

Radiological Protection Pergamon Press Oxford 2008

[31] CASWELL R S COYNE J J RANDOLPH ML ldquoKerma Factors of Elements

and Compounds for Neutron Energies Below 30 MeV Int J Appl Radiat Isot v 33

pp 1227-1262 USA 1982

[32] TAUHATA L RAMOS MMO DI PRINZIO MARR Grandezas e

Unidades para Radiaccedilatildeo Ionizante Rio de Janeiro CNEN-MCT Publicaccedilotildees 2002

[33] CORNELIS P J KONIJNENBERG M W MIJNHEER B J ldquoClinical

dosimetry of an epithermal neutron beam for neutron capture therapy dose distributions

under reference conditionsrdquo Int J Radiat Oncol Biol Phys v 37 n 2 pp 941-951

USA 1997

[34] CHANANA AD Boron Neutron Capture Therapy of Glioblastoma Multiforme

at the Brookhaven Medical Research Reactor A Phase III Study FDA IND 43317

Protocol 4 Brookhaven National Laboratory 1996

[35] Van Riper K A MORITZ Geometry Toll Userrsquos Manual An Interactive

Geometry EditorViewer for MCNP amp MCNPX White Rock Science USA 2006

[36] TRS 1982 ldquoDosimetry for Criticality Accidentsrdquo International Atomic Energy

Agency ndash IAEA Technical Report Series nordm 211 Vienna

[37] ICRU Photon Electron Proton and Neutron Interaction Data for Body Tissues

ICRU Report 46 International Commission on Radiation Units and Measurement

Bethesda MD 1992

[38] DEVDERSTANDT JJ HAMILTON LJ Nuclear Reactor Analysis New York

Wiley 1976

53

[39] ZAMENHOF RG CLEMENT SD HARLING OK BRENNER JK

WAZER DE at al ldquoMonte Carlo Based Dosimetry and Treatment Planning for

Neutron Capture Therapy of Brain Tumorsrdquo In OK Harling JA Bernard and RG

Zamenhof Editores Neutron Beam Design Development and Performance for

Neutron Capture Therapy v 54 pp 283 - 305 New York Plenum Press 1990

[40] TAUHATA L SALATI IPA DI PRINZIO R RDIPRINZIO A

Fundamentos de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria 3a ed Rio de Janeiro CNEN

Publicaccedilotildees 1991

47

Capiacutetulo 5

Conclusotildees

De acordo com os resultados obtidos para as configuraccedilotildees de feixes de necircutrons

estudados e da anaacutelise comparativa com dados de tratamentos em pacientes encontrados

na literatura pode-se concluir que eacute possiacutevel a utilizaccedilatildeo do feixe de 6 cm de diacircmetro

para tratamento de tumores nas regiotildees do lobo frontal e parietal Com o feixe

neutrocircnico de 10 cm de diacircmetro eacute possiacutevel tratar tumores localizados nas regiotildees lobo

frontal lobo parietal e o taacutelamo e com o feixe de 20 cm os localizados no lobo frontal

lobo occipital lobo parietal e taacutelamo A regiatildeo do lobo parietal apresentou o melhor

resultado com um pico de dose de 8881 RBE-Gy no tecido tumoral para o diacircmetro de

10 cm

51 Componentes secundaacuterias de dose

Nas regiotildees natildeo cefaacutelicas foram encontrados valores de dose baixos (em geral menor

que 10 RBE-Gy) para os feixes simulados indicando que os riscos de efeitos

determiniacutesticos para esses tecidos satildeo minimizados

As contribuiccedilotildees das componentes de necircutrons teacutermicos raacutepidos e foacutetons

apresentaram diferentes percentuais em relaccedilatildeo agrave dose total nos tecido sadio e tumoral

para os diacircmetros de feixe simulados

Para as regiotildees natildeo cefaacutelicas a contribuiccedilatildeo da dose de foacutetons apresentou o maior

percentual para os feixes de 6 cm e 10 cm de diacircmetro Considerando as regiotildees de

maior incidecircncia de casos [15] a dose de foacutetons no tecido sadio apresentou maior

parcela para o cerebelo (diacircmetro de 6 cm e 10 cm) e ponte (diacircmetro de 10 cm)

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

Referecircncias bibliograacuteficas

[1] CHADWICK J ldquoThe Existence of a Neutronrdquo Proc Roy Soc Lond A v 136 pp

692-708 1935

[2] BARTH RF SOLOWAY AH FAIRCHIEKD RG ldquoBoron Neutron Capture

Therapy for Cancerrdquo Sci Amer pp 100-107 1990

[3] MARTINEZCG Orton MOULD RF Brachytherapy HDR and LDR

proceedings brachytherapy meeting remote afterloading eds Michigan 1990

[4] ROGUS RD Design and Dosimetry of Epithermal Neutron Beans for Clinical

Trials of Boron Neutron Capture Therapy at MITR Reactor PhD thesis MIT

Massachusetts USA 1994

[5] Cancer Facts and Figures In American Cancer Society Atlanta 1991

[6] PEREZ CA BRADLE LW Principles and Practice of Radiation Oncology 3

ed Lippincott ndash Raven 1997

[7] RONDINELLI P I P MARTINEZ C A O ldquoMetaacutestases intrarraquidianas de

glioblastoma multiforme supratentorial da infacircncia Relato de casordquo Arq Neuropsiquiatr

200260(3-A)643-646

[8] NELSON JS TSUKADA Y SHOENFEKD D et al ldquoNecrosis as a Prognostic

Criterion in Malignant Supratentorial Astorcytic Gliomasrdquo Cancer v 52 n 3 pp 550-

554 1983

[9] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY (IAEA) Current Status of

Neutron Capture Therapy In IAEA-Tecdoc-1223 IAEA Wien 2001

[10] LOCHER GL ldquoBiological Efects and Therapeutic Possibilities of Neutronsrdquo

American Journal of Roentgenology and Radium Therapy v 36 pp 1-13 1936

50

[11] MARASHI M K ldquoAnalysis of Absorbed Dose Distribution in Head Phantom in

Boron Necircutron Capture Therapyrdquo Nuclear Instruments an Methods in Physics

Research v 440 pp 446-452 Iran 2000

[12] JEFFREY F E THOMAS E B NILENDU G ldquoAbsorbed dose estimates to

structures of the brain and head using a high-resolution voxel-based head phantomrdquo Int

Medical Physics Vol 28 No 5 May 2001

[13] GOORLEY J T PALMER M R ZAMENHOF RG et al ldquoTreatment

Planning and Dosimetry for the Harvard-MIT Phase I Clinical Trial of Cranial Neutron

Capture Therapyrdquo Int J Radiation Oncology Biol Phys vol 53 n5 pp 1361-1379

USA 2002

[14] BRIESMEISTER JF MCNP - A General Monte Carlo N-Particle Transport

Code Version 4B Los Alamos National Laboratory J F Briesmeister edit 1997

[15] ZAMENHOF RG CLEMENT SD HARLING OK BRENNER JK

WAZER DE MADOC-JONES H YANCH JC ldquoReference Dosimetry

Calculations for Neutron Capture Therapy with Comparison of Analytical and Voxels

Modelsrdquo Medical Physics v 29 n 2 pp 145-156 USA 2002

[16] SOUSA E M ldquoEfeito de interaccedilotildees secundaacuterias no caacutelculo de dose em

tratamentos com captura de necircutrons por boro - BNCTrdquo Dissertaccedilatildeo de Mestrado

Instituto de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria ndash IRD Rio de Janeiro RJ Brasil 2003

[17] D W MUNDY T JEVREMOVIC ldquoMonte Carlo assessment of Boron Neutron

Capture Therapy for the treatment of breast cancerrdquo Nuclear Technology e Radiation

Protection 2005

[18] S BORTOLUSSI S ALTIERI ldquoThermal neutron irradiation field design for

Boron Neutron Capture Therapy of human explanted liverrdquo American Association of

Physicists in Medicine 2007

51

[19] KATARZYNA T ldquo Monte Carlo calculations of epithermal and fast neutron dose

in a human head model for Boron Neutron Capture Therapyrdquo Pol J Med Phys Eng

200814(2)79-85 Institute of Atomic Energy Otwock-Swierk

[20] X-5 Monte Carlo Team 2003 MCNP ndash A General Monte Carlo N-Particle

Transport Code Version 5 Volume I Overview and Theory LA-UR-03-1987 Los

Alamos National Laboratory USA

[21] The Modern Technology of Radiation Oncology ndash A Compendium for Medical

Physicists and Radiation Oncologists 1a ediccedilatildeo EUA Medical Physics Publishing

2000

[22] GIBSON J A B PIESCH E 1985 Neutron Monitoring for Radioloacutegical

Protection Technical Reports Series 252 IAEA Viena

[23] LAMARSH J R Introdution to Nuclear Reactor Theory Addision-Wesley

Publishing Company 1978

[24] CROSS SECTION EVALUATION WORKING GROUP ENDFB-VI summary

documentation BNL-NCS-17541 National Nuclear Data Center Brookhaven National

Laboratory Upton NY 1991

[25] KORTESNIEMI M Solutions for Clinical Implementation of Boron Neutron

Capture Therapy in Finland PhD thesis University of Helsinki Yliopistopaino

Finland 2002

[26] FIRESTONE RB SHIRLEY VS BAGLIN CM CHU SY ZIPKIN J

Table of Isotopes 8ordf ed 1996

[27] Cancer Facts and Figures In American Cancer Society Atlanta 1991

[28] BISCEGLIE E COLONNA N SANTORELLI P VARIALE V ldquoOn the

Optimal Energy of Epithermal Neutron Beams for BNCT ldquo Phys Med Biol v 45 pp

49-58 Italy 2000

52

[29] CAMPOS TPR ldquoConsideraccedilotildees sobre a Terapia de Captura de Necircutrons pelo

Borordquo Revista Brasileira de Cancerologia v 46 n 3 pp 283-292 2000

[30] ICRP 103 Recommendations of the ICRP International Commission on

Radiological Protection Pergamon Press Oxford 2008

[31] CASWELL R S COYNE J J RANDOLPH ML ldquoKerma Factors of Elements

and Compounds for Neutron Energies Below 30 MeV Int J Appl Radiat Isot v 33

pp 1227-1262 USA 1982

[32] TAUHATA L RAMOS MMO DI PRINZIO MARR Grandezas e

Unidades para Radiaccedilatildeo Ionizante Rio de Janeiro CNEN-MCT Publicaccedilotildees 2002

[33] CORNELIS P J KONIJNENBERG M W MIJNHEER B J ldquoClinical

dosimetry of an epithermal neutron beam for neutron capture therapy dose distributions

under reference conditionsrdquo Int J Radiat Oncol Biol Phys v 37 n 2 pp 941-951

USA 1997

[34] CHANANA AD Boron Neutron Capture Therapy of Glioblastoma Multiforme

at the Brookhaven Medical Research Reactor A Phase III Study FDA IND 43317

Protocol 4 Brookhaven National Laboratory 1996

[35] Van Riper K A MORITZ Geometry Toll Userrsquos Manual An Interactive

Geometry EditorViewer for MCNP amp MCNPX White Rock Science USA 2006

[36] TRS 1982 ldquoDosimetry for Criticality Accidentsrdquo International Atomic Energy

Agency ndash IAEA Technical Report Series nordm 211 Vienna

[37] ICRU Photon Electron Proton and Neutron Interaction Data for Body Tissues

ICRU Report 46 International Commission on Radiation Units and Measurement

Bethesda MD 1992

[38] DEVDERSTANDT JJ HAMILTON LJ Nuclear Reactor Analysis New York

Wiley 1976

53

[39] ZAMENHOF RG CLEMENT SD HARLING OK BRENNER JK

WAZER DE at al ldquoMonte Carlo Based Dosimetry and Treatment Planning for

Neutron Capture Therapy of Brain Tumorsrdquo In OK Harling JA Bernard and RG

Zamenhof Editores Neutron Beam Design Development and Performance for

Neutron Capture Therapy v 54 pp 283 - 305 New York Plenum Press 1990

[40] TAUHATA L SALATI IPA DI PRINZIO R RDIPRINZIO A

Fundamentos de Radioproteccedilatildeo e Dosimetria 3a ed Rio de Janeiro CNEN

Publicaccedilotildees 1991

48

Poreacutem devido a concentraccedilatildeo de 10 ppm de 10B no tecido sadio a dose devido agrave reaccedilatildeo

(n α) tem o maior percentual na maioria das regiotildees do tecido cerebral sadio

As componentes dos necircutrons teacutermicos e raacutepidos somadas totalizam em meacutedia 20

da dose total no tecido cerebral sadio para todas as configuraccedilotildees simuladas

No tecido tumoral a parcela de contribuiccedilatildeo secundaacuteria pode chegar a 15 da dose

total (regiatildeo do cerebelo) sendo sua maior parcela a dose de foacutetons Portanto apesar da

dose devido ao 10B apresentar a maior contribuiccedilatildeo para a dose total entregue ao tumor

as contribuiccedilotildees secundaacuterias exercem consideraacutevel influecircncia na determinaccedilatildeo da dose

total

Este trabalho mostrou a necessidade da minimizaccedilatildeo das doses nos tecidos cerebrais

devido agraves contribuiccedilotildees indesejaacuteveis de raios gama secundaacuterios necircutrons teacutermicos e

raacutepidos visto que as doses podem alcanccedilar a 68 da dose total no tecido cerebral sadio

e a 87 da dose total nas regiotildees natildeo cefaacutelicas

52 Recomendaccedilatildeo

Como sugestatildeo para trabalhos futuros recomenda-se investigar a influecircncia na

distribuiccedilatildeo de dose na cabeccedila e pescoccedilo considerando os espectros de energia dos

necircutrons dos principais reatores nucleares atualmente utilizados para tratamento em

BNCT no mundo (Estados Unidos Japatildeo Holanda e Finlacircndia)

49

Referecircncias bibliograacuteficas

[1] CHADWICK J ldquoThe Existence of a Neutronrdquo Proc Roy Soc Lond A v 136 pp

692-708 1935

[2] BARTH RF SOLOWAY AH FAIRCHIEKD RG ldquoBoron Neutron Capture

Therapy for Cancerrdquo Sci Amer pp 100-107 1990

[3] MARTINEZCG Orton MOULD RF Brachytherapy HDR and LDR

proceedings brachytherapy meeting remote afterloading eds Michigan 1990

[4] ROGUS RD Design and Dosimetry of Epithermal Neutron Beans for Clinical

Trials of Boron Neutron Capture Therapy at MITR Reactor PhD thesis MIT

Massachusetts USA 1994

[5] Cancer Facts and Figures In American Cancer Society Atlanta 1991

[6] PEREZ CA BRADLE LW Principles and Practice of Radiation Oncology 3

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