e adult female (af)

155 Pages·2016·4.03 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA
NÚCLEO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA

MODIFICAÇÃO DAS POSTURAS DOS SIMULADORES
ANTROPOMÓRFICOS VOXEL DE REFERÊNCIA ADULT
MALE (AM) E ADULT FEMALE (AF) PARA CÁLCULO DE
COEFICIENTES DE CONVERSÃO DE DOSE

Diego Castanon Galeano

São Cristóvão – SE
Outubro/2016
Diego Castanon Galeano

MODIFICAÇÃO DAS POSTURAS DOS SIMULADORES
ANTROPOMÓRFICOS VOXEL DE REFERÊNCIA ADULT
MALE (AM) E ADULT FEMALE (AF) PARA CÁLCULO DE

COEFICIENTES DE CONVERSÃO DE DOSE

Tese de Doutorado apresentada ao Núcleo de
Pós-Graduação em Física da Universidade
Federal de Sergipe para obtenção do título de
Doutor em Física.

Orientador: Prof. Dr. Albérico Blohem de Carvalho Júnior

São Cristóvão – SE
Agosto/2016
Ata Defesa
Dedico este trabalho aos meus pais,
Elidio Galeano e Orlany de Moraes Dias Castanon.
Agradecimentos

Agradeço a Deus.
Aos meus pais, pelo incondicional apoio em minha formação e por me educar com tanto
amor e carinho.
A minha namorada Fernanda Fabian, pela amizade, dedicação, amor e carinho em todos os
momentos.
A família amigo Danilo Junot e sua família pelo acolhimento.
Ao William Santos pelas profundas contribuições neste e em outros trabalhos e,
principalmente, pela amizade.
Aos colegas e amigos de grupo Felipe Santos e Matheus Alves pelas constantes
contribuições.
Ao professor Albérico Blohem de Carvalho Júnior pela orientação neste trabalho e as
discussões no decorrer do mesmo, bem como a professora Divanízia N. Souza pela co-
orientação.
A todos os professores que contribuíram em minha formação acadêmica.
A Universidade Federal de Sergipe pela infraestrutura.
A Capes e ao CNPq pelo suporte financeiro.
A todos que contribuíram ou apoiaram direta ou indiretamente para a realização deste
trabalho.
Resumo
Estabelecer limites à exposição da população a diversas fontes de radiação ionizante é de
fundamental importância para prevenir indivíduos, ocupacionalmente expostos e do público,
dos seus efeitos deletérios. Em âmbito computacional, é necessário que diferentes cenários
de exposição sejam simulados, visando à obtenção dos coeficientes de dose (CCs), que
associam grandezas dosimétricas físicas – como dose absorvida, fluência ou kerma no ar –
com grandezas limitantes – como equivalente e/ou dose efetiva. Em certas condições de
exposição a posição do indivíduo nem sempre é a mesma, e o cenário deve ser descrito da
forma mais realística possível. Neste trabalho, os simuladores antropomórficos de referência
da publicação nº 110 da ICRP, AM (Adult Male) e AF (Adult Female), tiveram suas posturas
modificadas da postura supinada (em pé) para a postura sentada. A mudança de postura foi
realizada por meio de uma subrotina escrita no software Visual Monte Carlo (VMC) para
rotacionar a região da coxa dos simuladores e posicioná-la entre a região da perna e do
tronco. O software ScionImage foi utilizado para reconstruir e suavizar os contornos no
joelho e quadril dos simuladores na postura sentada, e com ferramenta auxiliar para
visualização 3D dos simuladores foi utilizado o software VolView. Após essa etapa foi
utilizado o código de transporte de radiação MCNPX para o cálculo dos coeficientes de
conversão (CCs) de dose equivalente e efetiva por fluência de partículas, calculados para
seis geometrias de irradiação AP, PA, LLAT, RLAT, ROT e ISO, recomendadas pela ICRP.
Os resultados foram comparados entre os simuladores em pé e sentado, para ambos os
gêneros, com o objetivo de avaliar as diferenças de espalhamento e absorção da radiação
para as diferentes posturas. Os resultados dos CCs mostram diferenças significativas, de até
100 % para dose equivalente dos órgãos situados a região pélvica e 79 % em órgãos com
distribuição em todo o corpo como, por exemplo, pele, músculo, nódulos linfáticos medula
óssea e trabécula óssea, e uma diferença de 14 % para dose efetiva. Ademais, a fim de
realizar um estudo comparativo entre dois tipos de simuladores, foi estimado os CCs de dose
equivalente e efetiva dos simuladores híbridos adulto masculino, UFHADM, e feminino,
UFHADF, na postura sentada, e comparado com os simuladores AM e AF, também na
postura sentada, onde foi observado diferença significativa em energias abaixo de 0,05 MeV.
Este estudo demonstrou a viabilidade do uso dos simuladores antropomórficos de referência
na postura sentada para representar posturas mais realísticas podendo assim, ser utilizado em
estudos na dosimetria médica e ocupacional, bem como a importância de desenvolver
simuladores tão realista quanto possíveis para estimativa de dose tão fiéis quanto possíveis
em diversos cenários de irradiação.

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

Resumo vi
Abstract vii
Lista de Figuras x
Lista de Tabelas xiv
1 Introdução 1
1.1 Objetivos gerais ...................................................................................................... 3
1.2 Objetivos específicos .............................................................................................. 3
2 Fundamentação Teórica 5
2.1 Interações do fóton com a matéria .......................................................................... 5
2.1.1 Espalhamento Coerente ................................................................................... 5
2.1.2 Efeito Fotoelétrico ........................................................................................... 6
2.1.3 Efeito Compton................................................................................................ 7
2.2 Grandezas Dosimétricas........................................................................................ 10
2.2.1 Fluência (𝝓) ................................................................................................... 10
2.2.2 Dose Absorvida ............................................................................................. 10
2.2.3 Dose Equivalente ........................................................................................... 10
2.2.4 Dose Efetiva .................................................................................................. 12
2.3 Simuladores antropomórficos computacionais de exposição ............................... 12
2.4 O Método de Monte Carlo (MMC) ....................................................................... 16
2.4.1 Determinação de erros no MMC ................................................................... 18
3 Estado da Arte 20
4 Material e Métodos 26
4.1 Simuladores antropomórficos de referência da publicação de nº110 da ICRP: Adult
Male (AM) e Adult Female (AF) .................................................................................... 26
4.2 Modificações da postura dos simuladores AM e AF ............................................ 27
4.3 Simuladores antropomórficos adultos híbridos UFHADM e UFHADF .............. 29
4.4 Código de transporte de radiação MCNPX .......................................................... 30
4.5 Estrutura repetida e Cenários de irradiação .......................................................... 30
4.6 Estimativa dos coeficientes de conversão de dose (CCs) ..................................... 33
ix

4.7 Comando mesh tally na obtenção de mapa de fluência ........................................ 34
5 Resultados e discussões 35
5.1 Modificação da postura dos simuladores de referência ........................................ 35
5.2 Diferenças nos CCs dos órgãos situados na região pélvica. ................................. 38
5.3 Diferenças nos CCs dos endósteo, medula óssea vermelha, músculo, nódulos
linfáticos e pele. ............................................................................................................... 44
5.4 Diferenças nos CCs de dose efetiva. ..................................................................... 49
5.5 Comparação simuladores híbridos UFHADM e UFHADF com AM e AF.......... 52
6 Conclusões 57
7 Sugestões para trabalhos futuros 59
8 Referências 60
Apêndice I – Publicações no período 66
Anexo A – Coeficiente de Conversão de Dose Equivalente dos simuladores AM e AF na
postura sentada 68
Anexo B - Coeficiente de Conversão de Dose Equivalente dos simuladores UFHADM e
UFHADF na postura sentada 101
x

Lista de Figuras
Figura 2.1. Interação fotoelétrica de um fóton com um elétron da camada K do átomo.
(Figura adaptada de [27]). ..................................................................................................... 7
Figura 2.2. Processo de interação do fóton com camada eletrônica do átomo. (Figura
adaptada de [27]). .................................................................................................................. 8
Figura 2.3. Regiões de predominância dos efeitos fotoelétrico, Compton e produção de pares
em função da energia do fóton e do número atômico do material. Adaptado de POWSNER
e POWSNER [29]. ................................................................................................................. 9
Figura 2.4. Representação de um simulador matemático. Adaptado de XU et al. [31]. ..... 13
Figura 2.5. Ilustração do processo de construção de um simulador voxel. Adaptado de XU
et al. [31].............................................................................................................................. 14
Figura 2.6. Comparação trato alimentar de um simulador matemático, voxel e NURBS.
Adaptado de LEE et al. [15]. ............................................................................................... 15
Figura 2.7. Representação em superfície mesh de um simulador masculino. Adaptado de
Cassola et al. [32]. ............................................................................................................... 15
Figura 2.8. Sistema espaço-fase para representação do fluxo do transporte da radiação da
matéria. ................................................................................................................................ 17
Figura 3.1. Simuladores antropomórficos matemáticos ADAM (à esquerda) e EVA (à
direita), desenvolvidos por Kramer et al. (1982). Adaptado de KRAMER et al. (2003). .. 20
Figura 3.2. Cenário de irradiação com contaminação de 60Co em carro e moveis utilizando
simulador na postura sentado [52]. ...................................................................................... 22
Figura 3.3. Simulador na postura sentado utilizado por GUTERMAN et al. [53] para estudo
a interação humana com radiação eletromagnética de antenas sem fio de laptop. Adaptado
de GUTERMAN et al. [53]. ................................................................................................ 22