40 anos plantando: a colheita agora será mais abundante
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40 anos plantando: a colheita agora será mais abundante
Editorial Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):5. 40 anos plantando: a colheita agora será mais abundante T odo congresso gera frutos desde a sua preparação, passando por sua realização, e após a sua conclusão. Com o XIV CBFM não foi diferente. Desde 2006, quando foi escolhida a cidade de São Paulo como sede das comemorações do quadragésimo aniversário da ABFM, até a sua realização em 2009, muita coisa foi feita para proporcionar a seus 763 participantes um congresso de alto nível. Os 20 professores estrangeiros, vindos de 7 países, bem como os palestrantes brasileiros, superaram as expectativas. Esta edição da RBFM é mais um fruto do XIV CBFM. Dos 215 trabalhos aceitos para apresentação, alguns dos melhores estão sendo publicados também aqui, para terem o destaque que merecem. Desde que faço parte da ABFM, ouço falar na publicação de uma revista dedicada à Física Médica no Brasil. A importância de uma publicação dessas só tem aumentado a cada ano, junto com a importância dessa área do conhecimento e do interesse que vem gerando. Algumas tentativas isoladas e quase heroicas foram feitas, mas os projetos pararam em muitos obstáculos: custos muito altos, pouco interesse de patrocinadores, falta de confiança no futuro da revista e tantos outros problemas que foram aparecendo pelo caminho. Nesta nova e definitiva investida estamos superando todos os problemas anteriores. As edições eletrônicas reduzem os custos e ampliam a divulgação. A disposição de mais revisores para participarem do corpo editorial enviando seus pareceres a tempo e o aumento no número de trabalhos submetidos garantem a periodicidade. A iniciativa da Laura Natal, seguida agora pelo Marcelo Freitas, é quase uma coação aos que são chamados a colaborar. Ninguém pode ficar de braços cruzados apenas esperando o resultado do trabalho que esta revista exige. A participação dos órgãos de fomento e dos patrocinadores segue o princípio do pacote de biscoito: “não patrocinam porque a revista não tem periodicidade e a revista não tem periodicidade porque não tem patrocínio”. Vamos superar esse raciocínio do atraso com trabalho e dedicação. O quarto número da RBFM, o terceiro seguido, está mostrando o caminho: aos editores, perseverança; aos patrocinadores, confiança; aos revisores, colaboração; aos leitores, apoio. Homero Lavieri Martins Presidente do XIV Congresso Brasileiro de Física Médica Associação Brasileira de Física Médica® 5 Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):7-10. Avaliação de variações anatômicas em neoplasias pélvicas utilizando CBCT Evaluation of internal organ variation for pelvic patients using CBCT Cleverson P. Lopes, Greyce B. Gandini, Michael J. Chen, Roberto K. Sakuraba, Vinicius D. Gonçalves e José C. Cruz Departamento de Radioterapia do Hospital Israelita Albert Einstein (HIAE) – São Paulo (SP), Brasil Resumo Avaliar as variações dos órgãos de risco (OR) reto e bexiga, movimentação dos volumes alvo de próstata ou leito prostático (CTV), e alteração da anatomia externa usando a ferramenta de localização guiada por imagens (IGRT) com Cone beam CT (CBCT) em pacientes pélvicos. Foram desenhados os OR em 90 CBCTs e o CTV em 41. Foram avaliados a média +σ da variação dos ORs e região de intersecção do volume de planejamento (PTV) e os OR (Ov_reto e Ov_bexiga) em relação aos volumes originais. Foi contabilizado o número de CBCTs onde o CTV ultrapassou o PTV. Analisou-se também a variação da anatomia externa dos pacientes através da medida da dimensão latero-lateral (DLL) e antero-posterior (DAP) nos CBCTs em relação ao CT de referência. Em média foram adquiridos 3,9 (1-9) CBCTs por paciente. Os OR bexiga e reto estavam em média -52%±30% e -12%±40% inferiores ao volume original. Os volumes de intersecção entre o PTV e os órgãos de risco Ov_reto e Ov_bexiga, estiveram em média 9%±14% e 5%±17%. A diferença média, em módulo, do DAP e DLL foi 0,4±0,3cm (máximo 1,2 cm) e -0,3±0,4cm (máximo 1,7 cm). Em 8 imagens analisadas os CTVs ultrapassaram os limites do PTV. Palavras-chave: CBCT, Radioterapia, IGRT, Próstata, Variação anatômicas de órgãos. Abstract To evaluate the organ at risk (OAR)variations for the bladder and rectum, the prostate or bed of prostate clinical target volume (CTV) movement, the external anatomy modification, using Image Guided Radiotherapy (IGRT) with Cone beam CT (CBCT) in pelvic patients. In 90 CBCTs the OR was drawn and the CTV in 41. The mean + σ variation against the original volumes of the ORs, as well as, the overllaping regions between PTV and OR (Ov_reto and Ov_bexiga) was analysed. It was also evaluated the patient external anatomy variation measuring the lateral-lateral (DLL) and anteroposterior (DAP) dimensions in CBCT against the reference CT. In average, 3,9 (1-9) CBCTs were acquired per patient. The bladder and rectum OR was in average -52%±30% e -12%±40% lower then the original. The overlapping volumes Ov_reto and Ov_bexiga was in average 9%±14% e 5%±17% different then the original. The mean difference, in module, of the DAP and DLL was 0,4±0,3cm (maximum 1,2 cm) and -0,3±0,4cm (maximum 1,7 cm). Keywords: CBCT, radiotherapy, IGRT, Prostate, Anatomical organ variation. Introdução Com sobrevida média mundial estimada em 58%, o câncer de próstata é responsável por aproximadamente 30 mil mortes por ano, sendo considerado a segunda causa de morte por câncer entre homens, ficando atrás apenas do câncer de pele não melanoma1. O tratamento do câncer de próstata envolve modalidades terapêuticas como a radioterapia, a cirurgia e observação, podendo estar associadas entre si. A escolha depende da correlação entre o grau, estádio clínico, expectativa de vida, intervalo livre de doença conseguido por cada terapêutica, morbidade associada e preferência individual de paciente e médico1. Em virtude de a radioterapia externa convencional obter resultados abaixo do ideal2 e sua alta toxicidade, aos poucos a técnica conformada (3D) e mais recentemente a técnica de radioterapia com modulação da intensidade do feixe (IMRT) ganharam um papel mais importante no tratamento destes tumores3. Ambas têm como vantagem a definição dos volumes e cálculo da dose em três dimensões (3D), possibilitando assim distintas entradas de campo e cálculo da relação entre o volume do órgão ou volume alvo e a exposição através do histograma de dose-volume (DVH) para cada tecido desenhado. Em alguns casos, possibilita o aumento da dose nos tecidos-alvos com maior precisão e limitação da mesma nos tecidos adjacentes, Correspondência: Cleverson Perceu Lopes – Hospital Israelita Albert Einstein – Radioterapia – Av. Albert Einstein, 627/701 – CEP: 05651-901 – Morumbi – São Paulo (SP), Brasil – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 7 Lopes CP, Gandini GB, Chen MJ, Sakuraba RK, Gonçalves VD, Cruz JC proporcionando menor dano aos tecidos sadios circunvizinhos4. Entretanto, o planejamento baseia-se em um instantâneo da posição dos volumes alvos e órgãos de risco, bem como no preenchimento fisiológico do volume dos órgãos, notadamente reto e bexiga. A variação do volume dos órgãos de risco pode provocar diferenças significativas na relação dose e volume irradiado bem como alterar a posição de órgãos próximos a estas regiões5. O trabalho em questão visa avaliar as variações fisiológicas dos órgãos reto e bexiga, a movimentação do volume alvo (CTV) dentro da margem de planejamento (PTV), a variação da região de intersecção entre o volume de PTV e os órgãos de risco e as variações em relação à superfície externa, utilizando imagens 3D adquiridas com sistema de Cone-Beam CT kV (CBCT)6-9 em algumas sessões de tratamento em relação à tomografia de referência utilizada para planejamento radioterápico. Material e métodos Todos os pacientes foram submetidos a um preparo intestinal prévio a simulação com tomografia computadorizada (TC_ref) onde foram orientados a usar um laxante suave na noite anterior à tomografia de referência e beber 1l de água 30 min antes da aquisição das imagens. Durante a simulação um molde individual10,11 (Figura 1) foi confeccionado nas pernas dos pacientes com a finalidade de imobilizá-las e para proporcionar conforto, um travesseiro foi utilizado para o apoio de cabeça e os braços permaneceram flexionados sobre o tórax. Figura 1. Imobilizador para pernas confeccionado individualmente para cada paciente. Figura 2. Ex. Fusão de CBCT com CT de referencia. 8 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):7-10. Todos os órgãos de risco (OR) e a próstata, ou leito prostático (CTV) foram desenhados no sistema de planejamento Ecplise®. O PTV foi obtido adicionando-se uma margem assimétrica padrão a partir do CTV, de 6 mm posterior em direção ao reto e 10 mm para todas as outras direções, assumindo que com a bexiga cheia e o reto vazio, situação esperada durante a simulação, o CTV encontrava-se na sua posição mais posterior. Os planejamentos foram feitos com técnica de IMRT utilizando em média 5,5 campos (5-7) todos com energia nominal de 15MV. Os pacientes foram submetidos em média a 37 frações de tratamento (33 a 39), com dose média no PTV de 7693 cGy (6790 cGy a 8042 cGy). Para análise dos dados fez-se necessário a fusão de cada CBCT com a tomografia de planejamento (TC_ref) usando referências ósseas (Fig. 2), visando somente avaliar as movimentações internas, desconsiderando-se rotações da estrutura óssea do paciente para se aproximar ao padrão adquirido no instante de aquisição do CBCT. Por ser uma estrutura geométrica no espaço em torno do isocentro, o volume de PTV planejado foi copiado da TC_ref e projetado em cada CBCT do respectivo paciente. Os volumes de CTV, reto e bexiga foram desenhados e os volumes correspondentes a intersecção entre o reto e PTV (Ov_reto) e bexiga e PTV (Ov_bexiga) foram criados usando a função booleana do sistema. A análise da reprodutibilidade deste volume visava avaliar a quantidade de tecido dos OR que eram expostos à dose plena de radiação administrada ao PTV, utilizados no processo de otimização de IMRT. Foram avaliadas as variações ocorridas na anatomia interna de 23 pacientes em tratamento de próstata, onde 13 eram prostectomizados utilizando 90 CBCTs. As imagens de CBCT foram obtidas com sistema de braços mecânicos automatizados (OBI) instalados em um acelerador linear 23EX Varian. A técnica radiológica utilizada para aquisição foi de 120kVp e 80mA. O protocolo de aquisições do setor contemplava uma aquisição de um CBCT por semana para cada paciente, resultando em uma média de 3,9 CBCTs por pacientes (1 a 9), sendo que no início, este número foi menor devido ao extensivo tempo de máquina necessário durante o início da curva de aprendizado (Fig. 3. Ex. CBCT kV). Para análise, foram verificadas as variações de volume dos órgãos e do volume das regiões de sobreposição Ov_bexiga e Ov_reto, em relação aos volumes originais, bem como se as margens de PTV adicionadas rotineiramente ao CTV estavam adequadas contabilizando-se o número de vezes em que parte do CTV ultrapassava os limites do volume de PTV. As dimensões latero-lateral (DLL) e antero-posterior (DAP) foram aferidas em todos os conjuntos de imagens e a diferença em relação ao original foi calculada para avaliar a variação da anatomia externa devido à perda ou ganho de peso do paciente ao longo do tratamento, que poderia comprometer a distribuição de dose calculada. Avaliação de variações anatômicas em neoplasias pélvicas utilizando CBCT Resultados Para as análises de volume somente foram considerados os CBCTs em que todo o órgão pôde ser desenhado e para exame da anatomia externa, somente os CBCTs que continham toda a anatomia definida, sem cortes12 (Tab.1) As estatísticas de variações de volume e dimensões são apresentadas nas tabelas Tabela 2 e Tabela 3. Durante os dias de tratamento a bexiga encontrava-se sistematicamente inferior ao volume de referência, devido ao excessivo volume de água ingerido durante a simulação e o baixo controle durante os subsequentes dias de tratamento. A variação do volume de reto teve um padrão mais aleatório, onde embora não tenha havido uma diferença de volume significativo em relação ao original, o preenchimento do órgão encontrava-se notadamente diferente do adquirido no instante da TC_ref levando ao preenchimento irregular de porções do reto, podendo provocar torções da glândula ou leito prostático e deslocamentos esdrúxulos das vesículas seminais (Ex. Figura 3). Os volumes de sobreposição Ov_bexiga / vol bexiga e Ov_reto / Vol reto obtidas no CBCT com respeito às relações originais sofreram poucas variações sistemáticas. Entretanto a posição destas regiões tenha sofrido variações significativas que não podiam ser previstas no momento do planejamento. A variação média da anatomia externa dos pacientes foi pequena e, as variações máximas estão abaixo do limite estabelecido para replanejamento que é de até 2 cm no total ou 1 cm na profundidade de cada campo. Somente em 8 CBCTs o CTV ultrapassou os limites do PTV sendo que na sua grande maioria (60% dos casos) somente a ponta distal das vesículas seminais ultrapassaram as margens de PTV, podendo ser considerado de pouco risco para recidivas devido à subdosagem do órgão13. Entretanto, notou-se que esta variação pode ultrapassar tanto no limite posterior, quanto no limite anterior, para alguns pacientes com muita formação de gases. A variação latero-lateral da próstata foi pequena e pode ser um indicativo na reavaliação das margens padrão. Figura 3. Ex. CBCT kV em paciente prostatectomizado e grande distensão do reto devido a gases. Tabela 1. Nº. de imagens utilizadas para análise excluindo-se volumes ou anatomias truncadas Reto 81 Bexiga 65 DLL 89 DAP 69 Tabela 2. Média e desvio padrão (σ) e mediana dos volumes em relação ao volume de referência. Média ±σ Mediana Reto -12% ±40% -15% Bexiga -52% ±30% -56% Ov_reto 5% ±17% 0% Ov_bex 9% ±14% 6% Tabela 3. Média e desvio padrão (σ) e máxima variação das dimensões antero-posterior (DAP) e latero-lateral (DLL) em relação às imagens de referência Média±σ Máximo DAP (cm) 0,4 ± 0,3 1,2 DLL (cm) 0,3 ± 0,4 1,7 Discussão e conclusões A ferramenta de localização CBCT mostrou-se eficiente para a visualização dos órgãos internos e para a definição da anatomia externa dos pacientes com neoplasias pélvicas. As margens do PTV foram apropriadas para todos os CBCT analisados, considerando as movimentações do CTV. No entanto, em alguns casos, foi observada a necessidade de se realizar a localização utilizando a fusão dos tecidos moles para reduzir a irradiação nos órgãos críticos ou para adequar a posição do volume de CTV dentro do volume de PTV. O volume da bexiga foi sistematicamente menor que o original promovendo uma mudança no protocolo de simulação para uma ingestão de 0,5l de água antes da Figura 3. Ex. de variações dos volumes de reto e bexiga nos cortes sagitais e axiais, projetados sobre a TC_ref. tomografia de referência e um maior controle durante os subseqüentes dias de tratamento. O volume do reto variou conforme esperado porque as condições de simulação são mais controladas que o tratamento diário e somente houve um reforço com a nutricionista para a orientação de dieta pouco fermentativa. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):7-10. 9 Lopes CP, Gandini GB, Chen MJ, Sakuraba RK, Gonçalves VD, Cruz JC O volume de sobreposição foi desconsiderado em alguns casos no processo de otimização de IMRT, pois há pouca reprodutibilidade na posição durante os dias de tratamento. O estudo da variação do CTV e órgãos de risco para cada paciente podem proporcionar uma nova era no planejamento radioterápico onde margens de PTV personalizadas são definidas em contraposição as margens padrão atuais. Referências 1. Guimarães GC, Zequi SC. Câncer de próstata. In: Lopes A, Iyeyasu H, Castro R.M.R.P.S, editors. Oncologia para graduação. 2ª ed. São Paulo: Tecmedd; 2008. p.501-11. 2. Lima CSP, Zeferino LC. Prevenção do câncer. In: Lopes A, Iyeyasu H, Castro R.M.R.P.S. Oncologia para graduação. 2ª ed. São Paulo: Tecmedd; 2005. p.220-231. 3. Cahlon O, Zelefsky MJ, Shippy A, Chan H, Fuks Z, Yamada Y, Hunt M, Greenstein S, Amols H. Ultra-High Dose (86.4 Gy) IMRT for Localized Prostate Cancer: Toxicity and Biochemical Outcomes. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2008;71(2):330-337 4. Liu MCC, Parker WA, Patrocinio HJ, Sohami L. Radioterapia conformacional – parte B – aspectos clínicos. In: Salvajoli JV, Souhami L, Faria SL. Radioterapia em Oncologia. Rio de Janeiro: Medsi; 1999. p.127-160. 5. ICRU, Report n. 50 – Prescribing, recording, and reporting photon beam therapy. International commission on radiation units and measurements, Washington, D.C.,1993. 10 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):7-10. 6. Nijkamp J, Pos FJ, Nuver TT, de Jong R, Remeijer P, Sonke JJ, Lebesque JV. Adaptive radiotherapy for prostate cancer using kilovoltage cone-beam computed tomography: first clinical results. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2008;70(1):75-82. 7. Yoo S, Yin FF. Dosimetric feasibility of cone-beam CT-based treatment planning compared to CT-based treatment planning. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2006;66(5):1553-1561. 8. Ghilezan M, Yan D, Liang J, Jaffray D, Wong J, Martinez A. Online imageguided intensity-modulated radiotherapy for prostate cancer: How much improvement can we expect? A theoretical assessment of clinical benefits and potential dose escalation by improving precision and accuracy of radiation delivery. Int. J. radiation Oncology Biol. Phys. 2004;60(5): 1602-1610. 9. Pouliot J, Bani-Hashemi A, Chen J, Svatos M, Ghelmansarai F, Mitschke M, Aubin M, Xia P, Morin O, Bucci K, Roach M, Hernandez P, Zheng Z, Hristov D, Verhey L. Low-dose megavoltage cone-beam CT for radiation therapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2005;61(2):552-560. 10. Borges SRO, Cruz JC. Sistemas de imobilização em radioterapia externa. In: Salvajoli JV, Souhami L, Faria SL. Radioterapia em Oncologia. Rio de Janeiro: Medsi; 1999. p.119-126. 11. Bentel GC, Marks LB, Sherouse GW, Spencer DP, Anscher MS. The effectiveness of immobilization during prostate irradiation. Medical Dosimetry. 1997;22(2):163. 12. Glover GH, Pelc NJ. Nonlinear partial volume artifacts in x-ray computed tomography. Med Phys.1980;7(3):238-248. 13. Lawson JD, Fox T, Elder E, Nowlan A, Davis L, Keller J, Crocker I. Early Clinical Experience With Kilovoltage Image-Guided Radiation Therapy for Interfraction Motion Management. Med Dosim. 2008;33(4): 268-274. Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):11-4. Otimização da relação dose x ruído na imagem em protocolos de tomografia computadorizada de crânio pediátrico Optimization of the dose x noise in the image on protocols for computed tomography of pediatric head Thalis L.A. Saint’ Yves, Paulo Cesar B. Travassos, Elicardo A.S. Gonçalves, Fernando Mecca A., Thiago B. Silveira Instituto Nacional de Câncer (INCA) – São Paulo (SP), Brasil 1 Resumo Este trabalho visa estabelecer protocolos otimizados para tomografia computadorizada de crânio pediátrico, para o Tomógrafo Picker Q2000 do Instituto Nacional de Câncer, através da análise de dose x ruído na imagem com a variação de valores de mAs e kVp. Foi utilizado um fantoma de água para medida de ruído, câmara de ionização tipo lápis para a medida de dose no ar e um fantoma Alderson Randon para verificação da qualidade da imagem. Foram encontrados valores de mAs e kVp que reduzem a dose de entrada na pele em 35,9% em relação ao protocolo original utilizado, mantendo a qualidade da imagem a nível de um diagnóstico seguro. Palavras-chave: otimização, dose, ruído, tomografia computadorizada. Abstract This article aims to establish protocols optimized for computed tomography of pediatric skull, to the Picker Q2000 tomography of the Instituto Nacional de Câncer, through the analysis of dose x noise on the image with the variation of values of mAs and kVp. We used a water phantom to measure the noise, a pencil type ionization chamber to measure the dose in the air and the Alderson Randon phanton for check the quality of the image. We found values of mAs and kVp that reduce the skin dose of the original protocol used in 35.9%, maintaining the same image quality at a safe diagnosis. Keywords: Optimization, dose, noise, computed tomography. Introdução A radiação X, desde a sua descoberta, vem sendo amplamente aplicada na indústria e na pesquisa. Tornou-se indispensável nas emergências médicas e nas práticas clínicas. Apesar dos efeitos danosos que os raios-X podem provocar, os benefícios decorrentes de sua aplicação são incontestáveis. Muitos esforços têm-se feito para desenvolver equipamentos, técnicas e procedimentos que minimizem os níveis de radiação, reduzindo os riscos de efeitos biológicos indesejáveis e aumentando assim o benefício advindo desta modalidade1,2. Com a popularização dos equipamentos de Tomografia Computadorizada (TC) e o aumento dos investimentos na área da saúde, entre todos os métodos de diagnóstico por imagem, este é atualmente considerado como o método que mais contribui para o aumento das doses na população. No Reino Unido, os exames por TC correspondiam a 4% de todos os exames radiológicos realizados na metade dos anos 90, contribuindo com cerca de 40% do total de exposição às radiações-X em procedimentos médicos. Dados semelhantes foram reportados na Alemanha, em 1994. Nos Estados Unidos, dados recentes demonstram que os exames por TC correspondem a 10% de todos os procedimentos radiológicos, contribuindo com dois terços das doses coletivas. Entre estes, 11% são realizados em crianças. Em qualquer procedimento que envolva a exposição de um indivíduo à radiação para fins diagnóstico, a técnica aplicada deve promover o máximo de informações visuais usando o mínimo de dose, ou seja, o benefício ao paciente submetido ao exame de radiodiagnóstico deve estar associado à práticas otimizadas que garantam a qualidade da imagem com a menor dose. Nos últimos 40 anos, fabricantes, profissionais e pesquisadores envolvidos com a TC estudam formas de reduzir as doses aplicadas por este método, visando a minimização dos riscos3,4,5,6. As pesquisas sobre doses de radiação na TC têm mostrado diferenças de até um fator 3 nos valores de dose calculados para exames com qualidade de imagem semelhantes realizados em equipamentos de diferentes Correspondência: Fernando Mecca Augusto – Hospital do Câncer I – Setor de Física Médica, Praça Cruz Vermelha, 23 – 4º andar – Anexo – Centro – Rio de Janeiro (RJ) - CEP:20230-130, e-mails: Fernando Mecca Augusto - [email protected], Thalis Leon de Ávila Saint’ Yves - [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 11 Saint’ Yves TLA,Travassos PC, Gonçalves EAS , Mecca FA e Silveira TB tecnologias e fabricantes. Nos exames de TC de crânio, as doses podem variar em um fator de 11 na comparação entre as doses aplicadas em diferentes centros de diagnóstico por imagem que utilizam o mesmo modelo e marca de equipamento. Normalmente, as técnicas de exposição utilizadas são baseadas em protocolos estabelecidos pelos fabricantes ou então modificadas pelos operadores, baseadas na experiência dos profissionais que atuam no serviço de TC7,8,9. As primeiras recomendações sobre Proteção Radiológica em Radiologia Pediátrica foram feitas pela NCRP através do documento nº 68, publicada em 1978. Devido à expectativa de vida prolongada das crianças, existe um grande potencial de manifestação de efeitos indesejáveis da radiação X. Esta publicação apresenta que as crianças expostas são mais susceptíveis a desenvolver a leucemia, por um fator de 2, em relação aos adultos irradiados em radiodiagnóstico. Isto indica a necessidade de se estabelecer protocolos específicos para exames pediátricos que visem a otimização das doses10,11. O principal objetivo deste trabalho é Identificar condições técnicas para exames de TC de crânio que ofereçam menor dose absorvida e que atendam os requisitos mínimos de qualidade da imagem, a fim de possibilitar uma otimização dos protocolos utilizados. Material e métodos Os materiais utilizados para a elaboração deste estudo foram: tomógrafo Picker Q2000, equipamento de quarta geração, helicoidal, possibilitando uma tensão máxima no tubo de 140KV; fantoma de água Picker para as medidas do nível de ruído; fantoma antropomórfico de cabeça Alderson Randon; câmara de ionização tipo lápis Radcal Corporation modelo 20X6-3CT acoplado ao eletrômetro Radcal Corporation modelo 2026. Primeiramente foi verificado o protocolo utilizado nos exames de crânio pediátricos (2-7 anos). Os parâmetros técnicos encontrados foram os seguintes: tempo de scan 3,0s; espessura de corte 3mm; mA=100; kVp=130; passo=1,25; ponto focal grosso; algoritmo de reconstrução padrão. Para determinação do ruído na imagem foi realizada uma imagem com o protocolo acima citado utilizando o fantoma de água Picker, selecionando uma ROI central e quatro periféricas de área de 400 mm2, medindo-se o Tabela 1. Níveis de ruído e dose para valores de mAs. mAs 300 250 225 195 150 130 100 12 Nível de Ruído 0,68005 0,74841 0,77075 0,78572 0,84716 0,95886 1 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):11-4. Nível de Dose 1 0,84378 0,76617 0,65274 0,49353 0,42886 0,33632 ruído médio. Após essa medida foram realizadas mais 6 medidas de ruído através da variação do valor de mAs para abaixo do utilizado no protocolo (300mAs) sendo estas com valores de mAs de 250, 225, 195, 150, 130 e 100. Dessa maneira irá ocorrer uma redução de dose a que o paciente estará exposto. Então foi feito um gráfico de ruído em função do mAs. Para determinação de dose de entrada na pele do paciente foram realizadas medidas de dose utilizando a câmara de ionização tipo lápis no ar, estando esta localizada no isocentro do tubo. Primeiramente realizaram-se as medidas com o protocolo utilizado na rotina, posteriormente utilizaram-se os protocolos realizados para medição de ruído. Após a obtenção desses dados foi feito um gráfico de dose em função de mAs. Estas duas curvas dos gráficos obtidos foram comparadas em função do mAs e sua intersecção definirá as condições operacionais de “otimização”3. Após essas condições de otimização da relação dose x ruído para o mAs foi avaliado a qualidade da imagem em função da redução do kVp, afim de otimizar a relação dose x ruído em função da variação de KVp. A medida realizada utilizou KVp de 100, 120 e 130 (protocolo original). Para a validação desta otimização foram avaliadas, através de um radiologista, imagens de crânio comparativas do protocolo otimizado final e do original, usando o fantoma de cabeça Alderson Randon, de modo que o otimizado ofereça uma imagem com qualidade aceitável para um diagnóstico seguro. Essa comparação de qualidade da imagem foi realizada para três diferentes regiões do crânio, superior, nasal, e bucal. Enfim foram analisados os dados e gráficos obtidos de forma que o protocolo de TC esteja otimizado com doses tão baixas quanto razoavelmente exequíveis para uma imagem com qualidade suficiente para diagnóstico. Resultados Os valores obtidos das medidas de ruído e dose no ar estão na Tabela 1. A figura 1 mostra as curvas experimentais de nível de dose e ruído (relação entre o maior valor da amostra e o valor obtido) obtidas com os valores de mAs da tabela 1, e a figura 2 mostra as curvas ajustadas, exponencialmente para o ruído e linear para a dose, destes dados experimentais. Pode-se determinar que a intersecção das curvas ocorre no ponto em que o mAs é 225, sendo portanto o ponto de condição otimizada para o protocolo. Para o protocolo otimizado acima foi variado o KVp afim de otimizar também esse parâmetro. Os valores de nível de ruído e nível de dose estão na Tabela 2. Como feito anteriormente achando o ponto de intersecção entre os dados, acha-se o ponto otimizado de dose x ruído para a variação de kVp, este ponto ocorre Otimização da relação dose x ruído na imagem em protocolos de tomografia computadorizada de crânio pediátrico para um valor muito próximo a 120 kVp, então considerou-se este valor para o protocolo. A comparação das imagens está ilustrada nas Figuras 3 e 4. Essas imagens foram analisadas por um médico radiologista e foi garantido que a qualidade da imagem é similar ao protocolo original, possibilitando um bom diagnóstico. Tabela 2. Níveis de ruído e dose para valores de KVp. KVp Nível de Dose Nível de Ruído 130 1,0000 0,7491 120 0,8416 0,8262 100 0,7154 1,0000 1,1 Nivel Relativo de Dose e Ruido 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Nivel de Ruido Nivel de Dose 0,3 100 150 200 250 300 mAs Nivel Relativo de Dose e Ruido Ajustado 1,1 R² = 0,999 1,0 0,9 0,8 0,7 R² = 0,95 0,6 0,5 Nivel de Dose Nivel de Ruido 0,4 0,3 100 150 200 250 300 mAs Figura 1. Dados experimentais dos níveis de ruído e de dose em função do mAs utilizado no exame de TC de crânio pediátrico. Figura 2. Curvas ajustadas dos níveis de ruído e de dose em função do mAs utilizado no exame de TC de crânio pediátrico. Figura 3. Imagens da parte superior do crânio para o protocolo normal (a cima) e otimizado (a baixo). Figura 4. Imagens da parte nasal do crânio para o protocolo normal (a cima) e otimizado (a baixo). Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):11-4. 13 Saint’ Yves TLA,Travassos PC, Gonçalves EAS , Mecca FA e Silveira TB Pode-se determinar a redução da dose de entrada na pele do paciente para exames de crânio pediátrico, da seguinte forma: corte, passo e algoritmos de reconstrução. Sempre considerando que a qualidade da imagem deve ser tal que possibilite um diagnóstico confiável. NDotimizado = NDmAs x NDkVp em que ND é o nível de dose, expressando a fração de dose do protocolo otimizado em relação ao original. Portanto, NDotimizado = 08416 x 0,76617 = 0,6410, representando uma dose de 64,1% da dose original. Discussão e conclusões É possível reduzir a dose de entrada na pele no exame de TC a partir do estudo de técnicas otimizadas. Na técnica otimizada obtida por este trabalho houve uma redução de 35,9% na dose em relação à condição operacional inicial. Portanto o protocolo otimizado para mAs e KVp contém modificações em relação ao protocolo original sendo então: tempo de scan 1,5s; espessura de corte 3mm; mA=150; KVp=120; passo=1,25; ponto focal grosso; algoritmo de reconstrução padrão. Mesmo com o aumento de ruído na imagem otimizada ela foi considerada dentro do padrão de qualidade para diagnósticos com uma redução de dose de 35,9% em relação ao protocolo de técnica de rotina. Novos estudos podem ser realizados na tentativa de reduzir ainda mais a dose em pacientes, com a otimização em relação a outros parâmetros, tais como: espessura de 14 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):11-4. Referências 1. Bushong SC. Radiologic science for technologists: physics, biology, and protection. 7 ed. St. Louis: Mosby; 2001. 2. Wade JP, Weyman JC, Goldstone KE. CT standard protocols are of limited value in assessing actual patient dose. Br J Radiol. 1997;70(839):1146-51. 3. Daros KAC. Avaliação das doses de radiação x em exames pediátricos de tomografia de crânio com base em estudo de otimização [tese]. São Paulo: Universidade de São Paulo; 2005. 4. Kalra MK, Maher MM, Toth TL, Hamberg LM, Blake MA, Sheparad JA, et al. Strategies for CT radiation dose optimization. Radiology. 2004;230(3): 619-28. 5. Shrimpton PC, Wall BF, Hart D. Diagnostic medical exposures in U.K. Appl Radiat Isot. 1999;50(1):261-9. 6. Linton OW, Mettler FA Jr, National Council on Radiation Protection and Measurements. National conference on dose reduction in CT, with an emphasis on pediatric patients. AJR Am J Roentgenol. 2003;181(2):321-9. 7. Chan CY, Wong YC, Chau LF, Yu SK, Lau PC. Radiation dose reduction in paediatric cranial CT. Pediatr Radiol. 1999;29(10):770-5. 8. Conway BJ, Crohan JL, Abtonsen RG, Rueter FG, Slayton RJ, Suleiman OH. Average radiation dose in standard CT examinations of the head: results of the 1990 next survey. Radiology 1992;184:135-40. 9. Jessen KA, Shrimpton PC, Geleijns J, Panzer W, Tosi G. Dosimetry for optimisation of patient protection in computed tomography. Appl Radiat Isotop. 1999;50(1):165-72. 10. NCRP report 68. Radiation protection in pediatric radiology: recommendation of the National Council on Radiation Protection Measurements. Washington: National Council on Radiation Protection Measurements; 1981. 11. Brenner DJ, Elliston CD, Hall EJ, Berdon WE. Estimated Risks of RadiationInduced Fatal Cancer from Pediatric CT. AJR 2001; 176:289-296. Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):15-8. Dosimetria tridimensional usando gel MAGIC com formaldeído Tridimensional dosimetry using MAGIC gel with formaldehyde Juliana F. Pavoni1, Tina L. Pike2, Jessica Snow2, Larry A. DeWerd2 e Oswaldo Baffa1 Departamento de Física e Matemática da Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo (FFCRP/USP) – Ribeirão Preto (SP), Brasil 2 Medical Radiation Research Center – Department of Medical Physics of University of Wisconsin, Madison – United States of America (USA) 1 Resumo Este trabalho apresenta a aplicação do dosímetro gel MAGIC com formaldeído (MAGIC-f) na medida tridimensional da distribuição de dose em um planejamento de IMRT. Grande semelhança foi encontrada na distribuição de dose obtida pelo dosímetro gel e a distribuição de dose esperada pelo sistema de planejamento (TPS) em todo o volume irradiado, o que se comprovou pela sobreposição direta dessas isodoses. Dos resultados, pode-se concluir que o gel MAGIC-f pode ser aplicado satisfatoriamente para medidas tridimensionais de distribuição de dose. Palavras-chave: IMRT, dosimetria gel, MAGIC, dosimetria tridimensional, IRMN, relaxometria. Abstract This paper presents the application of MAGIC gel with formaldehyde (MAGIC-f) in the tridimensional dose distribution measurement of an IMRT planning. A high similarity was found between the dose distributions measured by the gel dosimeter and the dose distributions expected by the treatment planning system (TPS) in all of the irradiated volume, this was proved by the direct overlapping of these isodoses. These results show that MAGIC-f gel is feasible for tridimensional dose distribution measurements. Keywords: IMRT, gel dosimetry, MAGIC, tridimensional dosimetry, MRI, relaxometry. Introdução Nos últimos anos um grande avanço aconteceu nas técnicas utilizadas em radioterapia, melhorando a conformação da dose ao redor do volume alvo, o que permite a entrega de elevadas doses ao tumor com o mínimo dano ao tecido normal vizinho. Uma técnica que revolucionou este cenário foi a radioterapia com intensidade modulada de feixe (IMRT), em que além da conformação do feixe de radiação ao volume alvo, a intensidade do feixe pode variar cada região do volume irradiado. Em conjunto à evolução das técnicas de tratamento, distribuições de doses volumétricas mais complexas passaram a ser alcançadas, com isso, surgiu a necessidade de verificação 3D destas distribuições 1. No caso de tratamentos de IMRT, a verificação é ainda mais complexa pelo fato dos campos de radiação mudarem de forma e tamanho ao longo do tratamento. Os dosímetros atualmente usados para a verificação da dose são as câmaras de ionização (CI), os diodos, os dosímetros termoluminescentes (TLD) e os filmes radiográficos. Estes dosímetros são capazes de medir a dose pontualmente ou, no caso dos filmes, em um plano. Para se obter a dose em três dimensões (3D), várias medidas ou vários dosímetros são necessários e estes procedimentos são trabalhosos, além de consumir muito tempo. Neste contexto, os géis dosimétricos combinados com as imagens de ressonância magnética nuclear (IRMN) se apresentam como uma alternativa bastante adequada por possibilitarem a medida de complexas distribuições de dose em três dimensões 2,3,4. O princípio básico e fundamental da dosimetria com géis poliméricos é que a radiação ao interagir no gel provoca a radiólise da água, liberando radicais muito energéticos que provocam a polimerização dos monômeros suspensos na gelatina. Dessa forma cadeias longas de polímeros são formadas e ficam espacialmente retidas na matriz gelatinosa nos locais de interação da radiação, permitindo que a distribuição de dose seja medida nos dosímetros por diversas técnicas, sendo a relaxometria Conrrespondência: Oswaldo Baffa, Universidade de São Paulo, Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de Ribeirão Preto, Departamento de Física e Matemática. Av. Bandeirantes, 3900 - Monte Alegre, CEP:14040-901 - Ribeirao Preto (SP), Brasil – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 15 Pavoni JF, Pike TL, Snow J, DeWerd LA, Baffa O em IRMN a que apresenta os melhores resultados. Na relaxometria por IRMN a presença dos polímeros altera a mobilidade das moléculas de água ao seu redor, o que provoca uma alteração na taxa de relaxação transversal (R2) proporcional à dose depositada. Este sistema dosimétrico apresenta diversas vantagens em relação aos sistemas usuais, eles independem da direção do feixe de radiação, da qualidade e da taxa de dose em feixes clínicos convencionais, além de medirem a distribuição de dose de forma verdadeiramente tridimensional e em uma única medida. Os objetos simuladores são preenchidos com gel e podem ser confeccionados em praticamente todas as formas. Por ser tecido equivalente 5 não há necessidade do uso de correções de perturbação. A sua resolução espacial depende da técnica usada para aquisição da IRMN, podendo ser da ordem de milímetros 6 . Este sistema é capaz de integrar a dose absorvida no tempo e no espaço, o que é de grande importância para verificação da dose em IMRT. O gel MAGIC foi o primeiro gel polimérico proposto na literatura a ser confeccionado em atmosfera normal, ou seja, na presença de oxigênio, todos seus antecessores tinham seu mecanismo de resposta à irradiação suprimido na presença de oxigênio, o que exigia a sua fabricação em atmosferas inertes e dificultava este processo. Recentemente o ponto de fusão do gel MAGIC foi aumentado para aproximadamente 60°C através da adição de formaldeído à sua formulação. Paralelamente, alcançou-se um aumento na sensibilidade deste dosímetro 7,8. Esta nova formulação do dosímetro já foi aplicada à dosimetria de fontes de braquiterapia 9 e sua completa caracterização dosimétrica foi apresentada em outro trabalho nesta mesma conferência 10. Neste trabalho avaliamos o desempenho do gel MAGIC-f na medida 3D de distribuições de dose em um planejamento de IMRT. A resposta do gel foi comparada ao esperado pelo sistema de planejamento (TPS). Material e métodos Preparo do dosímetro gel MAGIC-f A composição do dosímetro está indicada na tabela 1. O preparo começa com a adição da gelatina à água em temperatura ambiente, isto é feito em constante agitação e quando a gelatina está completamente dissolvida, a solução é aquecida até 45ºC e permanece nessa temperatura até o derretimento da gelatina. A solução é então resfriada até 35ºC e o ácido ascórbico, o sulfato de cobre e o formaldeído são adicionados. Após aproximadamente 5 minutos o ácido metacrílico é finalmente adicionado e a solução permanece por aproximadamente mais 5 minutos em agitação antes de ser acondicionada. O acondicionamento do dosímetro foi feito em recipientes cilíndricos com um diâmetro de aproximadamente 17cm e um volume de 2,71. Foram preenchidos dois objetos simuladores idênticos, um para irradiação e outro que não foi irradiado e foi usado para mapeamento do campo magnético do tomógrafo de RMN para correção dos valores medidos de R2 devido às inomogeneidades de campo magnético. Planejamento dos tratamentos de IMRT O primeiro passo para o planejamento dos tratamentos foi a aquisição de uma série de imagens de tomografia computadorizada (TC) do objeto simulador usado (Figura 1). Durante a aquisição das imagens de TC, foram feitas marcas de referências no objeto simulador seguindo os lasers de orientação da sala para o posterior reposicionamento dos objetos simuladores durante a irradiação e, sobre o isocentro do tratamento, foram colocados marcadores fiduciais para posterior localização deste plano no TPS. O planejamento foi realizado no TPS Pinnacle v8.0d p1. Primeiramente as imagens de TC do objeto simulador foram importadas e em seguida, as estruturas de interesse para o planejamento foram delineadas. Foram delineados quatro órgãos de risco ao redor do volume a ser irradiado, além do contorno do objeto simulador (Figura 2). Todas as estruturas foram copiadas para as 10 imagens de TC da região central do objeto simulador para criarem o volume tridimensional a ser planejado. A próxima etapa foi a escolha dos campos de irradiação a serem planejados, foram utilizados 6 campos angulados em 300°, 260°, 220°, 140°, 100° e 60°. O planejamento foi otimizado até que o PTV recebesse a dose desejada (10Gy). Para testar a eficiência do dosímetro gel, um planejamento com regiões apresentando grandes gradientes de dose foi escolhido. Tabela 1. Concentração em massa de cada componente do gel MAGIC com formaldeído Componente Água Mili-Q Gelatina bovina – 250Bloom (Gelita®) Ácido metacrílico 99.5% (Acros®) Formaldeído (Merck®) Ácido ascórbico (Vetec®) Sulfato de cobre (Vetec®) 16 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):15-8. Concentração em massa (%) 82,31 8,33 5,99 3,32 0,03 0,02 Figura 1. Série de imagens de TC adquiridas do objeto simulador. Dosimetria tridimensional usando gel MAGIC com formaldeído Irradiações O dosímetro foi irradiado com 10Gy em um acelerador linear CLINAC 600C (Varian) seguindo o planejamento realizado, esta dose foi escolhida para acoplar a faixa de dose depositada no gel com a região de maior sensibilidade de resposta. Após a irradiação, o dosímetro foi levado para a sala do tomógrafo de RMN, onde permaneceram por 48 horas antes da aquisição das imagens. Aquisição das IRMN Um tomógrafo de 1.5T (Siemens, Magneton Vision) foi usado. As imagens dos dosímetros foram adquiridas após o equilíbrio térmico entre a sala do tomógrafo de ressonância magnética e os géis, evitando assim distorções nas IRMN e erros na avaliação da dose depositada 11. Além disso, este tempo antes da aquisição das imagens permite que as reações de polimerização se completem 12. Foram adquiridas IRMN usando seqüência multi spin eco com tempos ao eco (TEs) de 20 e 100ms e tempo de repetição de 4000ms seguindo os mesmos parâmetros de aquisição das imagens de TC para que a comparação entre os resultados do gel e do TPS fosse feita corte a corte. As imagens foram adquiridas com o objeto simulador posicionado sobre o suporte usado irradiação, na bobina de quadratura de cabeça e alinhado seguindo os lasers de posicionamento do tomógrafo. Além disso, o plano do isocentro de tratamento foi demarcado com 3 cápsulas de vitamina E para que pudesse ser visualizado nas IRMN e auxiliar no co-registro dessas imagens com as imagens exportadas do TPS para análise do desempenho do dosímetro gel. As IRMN dos 2 objetos simuladores foram adquiridas. Os mapas de R2 proporcionais à dose foram calculados para todas as IRMN adquiridas com a eliminação das influências provocadas pelas inomogeneidades de campo magnético do tomógrafo. Resultados As distribuições de dose medidas com o dosímetro gel em todas as IRMN adquiridas foram comparadas às distribuições de dose esperadas pelo TPS, esta comparação foi feita sempre com as distribuições de dose normalizadas pela dose no isocentro de tratamento. Para todas as imagens, os resultados obtidos com o dosímetro gel se assemelham aos resultados esperados pelo TPS, a comparação entre as duas distribuições de dose no plano do isocentro de tratamento ilustra esta semelhança (Figura 3). A semelhança entre os resultados pode ser comprovada quantitativamente pela sobreposição direta das isodoses obtidas pelo gel e pelo TPS (Figura 4). a) b) Figura 2. Imagem de TC no isocentro do planejamento com todas as estruturas delineadas: os órgão de risco (vermelho), o PTV (alaranjado) e o contorno do objeto simulador (rosa). Figura 3. (a) Imagem com a distribuição de dose medida com o gel MAGIC com formaldeído para o isocentro no plano de IMRT do AL. (b) Distribuição de dose esperada pelo TPS. AS duas distribuições foram normalizadas para o isocentro de tratamento. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):15-8. 17 Pavoni JF, Pike TL, Snow J, DeWerd LA, Baffa O dosímetro de fácil manuseio em temperaturas ambientes e que pode ser aplicado para medidas tridimensionais. Agradecimentos Agradecemos a CAPES, FAPESP e CNPq pelo apoio financeiro. Referências Figura 4. Sobreposição das isodoses medidas com o dosímetro gel (linhas pontilhadas) e das isodoses exportadas pelo TPS (linhas contínuas) para o isocentro de tratamento. Discussão e conclusões A verificação tridimensional da distribuição de dose em um tratamento de IMRT foi realizada com o dosímetro gel MAGIC-f. Para o planejamento avaliado foi encontrada uma grande semelhança as isodoses obtidas com o gel e esperadas pelo TPS, o que foi comprovado pela sobreposição direta dessas isodoses. Neste estudo usamos os dados fornecidos pelo TPS como dados de referência para validação de nossas medidas por falta de outro dosímetro capaz de medir toda a distribuição de dose tridimensionalmente. No entanto, após a validação dos resultados dessa metodologia de análise e funcionamento do dosímetro gel, pode-se utilizá-lo para verificar as distribuições de dose calculadas pelo TPS. Além disso, o caráter tridimensional da dosimetria gel a faz muito útil para controle de qualidade após a implementação de novos acessórios à rotina e para investigações dosimétricas em configurações extremas que exigem alta performance dos equipamentos. Por tudo o que foi apresentado aqui, podemos concluir que a aplicação do dosímetro gel MAGIC-f é viável para verificação de tratamentos de IMRT, com a grande vantagem de apresentar uma medida integrada e tridimensional de todos os feixes de tratamento. Concluímos também que a modificação realizada no gel MAGIC resultou em um 18 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):15-8. 1. De Wagter C. The ideal dosimeter for intensity modulated radiation therapy (IMRT): What is required?. Proceedings of the Third International Conference on Raditherapy gel dosimetry. 2004:5-9. 2. De Deene Y, De Wagter C, Van Duyse B, Derycke S, De Neve W, Achten E. Three-dimensional dosimetry using polymer gel and magnetic resonance imaging applied to the verification of conformal radiation therapy in headand-neck cancer. Radiother Oncol. 1998(48):283-91 3. Low DA, Dempsey JF, Venkatesan R, Mutic S, Markman J, Mark Haacke E, et al. Evaluation of polymer gels and MRI as a 3-D dosimeter for intensitymodulated radiation therapy. Med Phys. 1999;26(8):1542–51. 4. Sandilos P, Angelopoulos A, Baras P, Dardoufas K, Karaiskos P, Kipouros P, et al. Dose verification in clinical IMRT prostate incidents. Int J Radiat Oncol Biol. 2004;59(5):1540–7. 5. Sellakumar P, Samuel EJJ, Supe SS. Water equivalence of polymer gel dosimeters. Radiat Phys Chem. 2007;76:1108-15. 6. Ertl A, Berg A, Zehetmayer M, Frigo P. ‘High-resolution dose profile studies based on MR imaging with polymer BANG(TM) gels in stereotactic radiation techniques’. Magn Reson Imaging. 2000;18(3):343-9. 7. Fernandes JP, Pastorello BF, de Araujo DB, Baffa O. Formaldehyde increases MAGIC gel dosimeter melting point and sensitivity. Phys Med Biol. 2008;53(4):N53-8. 8. Fernandes JP, Pastorello BF, de Araujo DB, Baffa O. Formaldehyde increases MAGIC gel dosimeter melting point and sensitivity. J Phys.: Conf Ser. 2009;164(1):012004. 9. Marques T, Fernandes JP, Barbi G, Nicolucci P, Baffa O. MAGIC with formaldehyde applied to dosimetry of HDR Brachytherapy source. J Phys.: Conf Ser. 2009;164(1):012067. 10. Pavoni JF, Baffa O. Caracterização dosimétrica do gel MAGIC com formaldeído. Anais do XIV Congresso Brasileiro de Física Médica. São Paulo, 2009. 11. De Deene Y, Vergote K, Claeys C, De Wagter C. The fundamental radiation properties of normoxic polymer gel dosimeters: a comparison between a methacrylic acid based gel and acrylamide based gels. Phys Med Biol. 2006;51(3): 653-73. 12. De Deene Y, Hanselaer P, De Wagter C, Achten E, De Neve W. An investigation of the chemical stability of a monomer/polymer gel dosimeter. Phys Med Biol. 2000;45(4):859-78. Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):19-22. Validação de um modelo computacional de exposição para dosimetria em tomografia computadorizada Validation of an exposure computational model to computed tomography dosimetry Cássio C. Ferreira1, Laila A. Galvão1, J. W. Veira2 e Ana F. Maia1 Departamento de Física da Universidade Federal de Sergipe (UFS) - São Cristóvão (SE), Brasil 2 Centro Federal de Educação Tecnológica de Pernambuco (CEFET) – Recife (PE), Brasil 3 Escola Politécnica de Pernambuco da Universidade de Pernambuco – Recife (PE), Brasil 1 Resumo Técnicas de simulação computacional por métodos de Monte Carlo foram utilizadas para estudar a dosimetria em tomografia computadorizada (TC). Os espectros de raios X foram calculados através de programas computacionais denominados códigos geradores de espectros de raios X. Os objetos simuladores da cabeça, usados na dosimetria, foram modelados através do programa computacional IDN (2006). Ainda, foram utilizados o MAX06 (2006), para simular um paciente macho adulto, e os códigos de transporte de radiação EGS4 (1985) e o EGSnrc (2006). A avaliação dos códigos geradores de espectros de raios X para uso na dosimetria de TC revelou uma dependência do uso do código gerador de espectros com a filtração do tubo de raios X. Para filtração de aproximadamente 1,90 mm de Al, o código X-rayb&m mostrou-se o mais indicado, para filtração de 4,52 mm de Al foi o código genspec1 e para filtração de 10,90 mm de Al foi o código X-raytbc. A validação da simulação computacional foi realizada por meio de comparações com medidas experimentais. O uso do código EGSnrc produziu os resultados mais acurados. Sendo que, no pior dos casos, apresentou uma diferença percentual de 17,15%. Pacs: 32.30.Rj, 81.70.Tx, 87.53.Wz, 82.20.Wt, 87.66.Xa Palavras-chave: Métodos de Monte Carlo, Tomografia Computadorizada, fantomas de voxel. Abstract Monte Carlo methods have been used to evaluate computed tomography (CT) dosimetry. The x-ray spectra were calculated by softwares named generating x-ray spectra codes. The physical phantoms, commonly used at CT dosimetry, were modeled by the IDN software (2006). MAX06 (2006) also was used to simulate the adult male patient submitted to CT examinations. EGS4 (1985) and EGSnrc (2006) have been used to simulate radiation transport in CT dosimetry. The evaluation of the generating x-ray spectra codes in CT dosimetry showed dependence with tube filtration. For tube filtration about 1.90 mm of Al, the X-rayb&m code calculated the better x-ray spectra, for tube filtration about 4.52 mm of Al the genspec1 code have been the best code and for tube filtration about 10.90 mm of Al the X-raytbc calculated the better x-ray spectra. The validation of computational simulation was done by experimental measurements. The EGSnrc code produced the most accurate results. At the worst case, it presented a percentage difference of 17.15% in relation to the experimental measurements. Pacs: 32.30.Rj, 81.70.Tx, 87.53.Wz, 82.20.Wt, 87.66.Xa Keywords: Monte Carlo methods, Computed Tomography, Voxels phantoms. Introdução Atualmente, tomografia computadorizada (TC) é o procedimento radiográfico mais usado para obtenção de imagens anatômicas com alta resolução do paciente. Em comparação com outros procedimentos radiográficos, as doses absorvidas pelos pacientes submetidos a exames de TC são muito altas. Consequentemente, sua contribuição para a dose efetiva coletiva chegou, em 2001, a aproximadamente 34% da contribuição de todos os exames médicos1. Para estimar a dose absorvida e a dose efetiva, várias grandezas dosimétricas específicas de TC são utilizadas, onde as mais conhecidas são o índice de dose em tomografia computadorizada (CTDI) e a dose média central devido a múltiplos cortes (MSAD). Essas grandezas assumem o mesmo valor quando a espessura de corte é igual ao deslocamento da mesa. O MSAD vem sendo Correspondência: Cássio C. Ferreira – Departamento de Física da Universidade Federal de Sergipe – Avenida Marechal Rondon, s/n – Jardim Rosa Elze – CEP: 49100-000 – São Cristóvão (SE) – Fone: (79) 2105-6831 – Fax: (79) 2105-6474 – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 19 Ferreira CC, Galvão LA, Veira JW, Maia AF substituído pela dose acumulada no centro [D(0)], pois incorpora, também, os tomógrafos helicoidais2. Estimativas de dose absorvida e dose efetiva podem ser feitas através de medidas diretas em fantomas físicos antropomórficos3. Geralmente, são usados dosímetros termoluminescentes (TLDs) inseridos em compartimentos específicos do fantoma antropomórfico. Outro método bastante utilizado para calcular dose absorvida e dose efetiva em pacientes é a simulação computacional por métodos de Monte Carlo (MC) ou dosimetria numérica. Vários autores têm usado MC para o estudo de doses absorvidas em pacientes ou em objetos simuladores submetidos a exames de TC4,5,6,7. Para calcular a dose absorvida ou dose efetiva, é necessário usar um fantoma virtual, matemático ou voxelizado. Os fantomas voxelizados constituem o último esforço na representação virtual de um paciente adulto8,9,10,11,12. O objetivo central deste trabalho é o estudo de uma metodologia para dosimetria em TC. Medidas experimentais As medidas de CTDI100 e perfil de dose foram feitas no orifício central dos objetos simuladores da cabeça, construídos no Laboratório de Preparação e Caracterização de Materiais – LPCM do Departamento de Física da Universidade Federal de Sergipe – DFI/UFS, e com uma câmara de ionização tipo-lápis ou dosímetros termoluminescentes de sulfato de cálcio dopado com 0,1% disprósio. As dimensões do objeto simulador da cabeça são: 16 cm de diâmetro e 15 cm de comprimento. A câmara de ionização tipo-lápis tem 10 cm Dosimetria numérica Para realizar a dosimetria numérica foi necessário: modelar a fonte de raios X, modelar as geometrias irradiadas e adotar um código de transporte de radiação ionizante. Modelar a fonte de raios X envolveu três etapas: simulação dos movimentos da fonte de raios X em relação ao paciente, simulação da colimação do feixe de raios X e simulação do espectro de raios X. A Figura 2 mostra os pontos de geração dos fótons de raios X em um tomógrafo axial e helicoidal. Para definir a forma do espectro de raios X, ou a curva de distribuição energética dos fótons, de cada tomógrafo, foram utilizados códigos geradores de espectros de raios X. Os códigos utilizados foram: EGSnrc/BEAM MC14, X-raytbc [cedido por Dr. Glenn Stirling – NRL (2000)], X-rayb&m [cedido por Dr. Glenn Stirling – NRL (2000)] e o genspec115. Os objetos simuladores e dosímetros utilizados na dosimetria numérica foram modelados com o auxílio do Figura 1. Fotografia do objeto simulador da cabeça feito de acrílico. Figura 2. Ilustração dos pontos de geração dos fótons de raios X. À esquerda: Tomografia axial. À direita: Tomografia helicoidal. Material e métodos 20 de comprimento ativo e aproximadamente 0,6 cm de diâmetro, resultando em em um volume de aproximadamente 3,0 cm3. Os dosímetros termoluminescentes têm 0,6 cm de diâmetro e 0,1 cm de comprimento. Os resultados foram obtidos em um tomógrafo de único corte fabricado pela TOSHIBA, modelo Asteion que está instalado no Hospital Universitário – HU da UFS. Medidas feitas pelo grupo ImPACT13 em um tomógrafo fabricado pela GE, modelo Ligthspeed 16, também foram usadas nesse trabalho para comparações com os valores de CTDI100 calculados através da dosimetria numérica. Ambos os tomógrafos são axiais. A Figura 1 mostra o objeto simulador da cabeça construído. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):19-22. Validação de um modelo computacional de exposição para dosimetria em tomografia computadorizada Resultados Recentemente, Bazalova e Verhaegen modelaram um código gerador de espectro de raios X em TC chamado de EGSnrc/BEAM MC [14]. Foi feita uma comparação dos resultados dosimétricos obtidos com o uso dos espectros produzidos pelo EGSnrc/BEAM MC e por outros 02 códigos. A Tabela 1 mostra as máximas diferenças percentuais encontradas entre as doses absorvidas quando foi usado o espectro de raios X produzido pelo EGSnrc/BEAM e quando foram usados os espectros de raios X produzidos por outros 02 códigos. Na tabela é mostrado o órgão ou tecido em que ocorreu a máxima diferença percentual. É possível perceber que para os espectros com filtração de 10,90 mm de Al, as doses absorvidas com o uso do X-raytbc foram muito próximas às doses absorvidas com o uso do EGSnrc/BEAM MC. Enquanto que, para os espectros com filtração de 1,90 mm de Al, as doses absorvidas com o uso do X-rayb&m foram muito próximas ás doses absorvidas com o uso do EGSnrc/BEAM MC. A Figura 4 mostra o perfil de dose calculado por MC e o perfil de dose medido no tomógrafo ASTEION/TOSHIBA (HU/UFS). A Figura 5 mostra os valores de CTDI100 calculados através de 04 combinações de códigos de transporte de radiação/código gerador de raios X e os valores medidos pelo grupo ImPACT para 04 valores de kVp. A figura 6 mostra os valores de CTDI100 calculados através de 03 combinações de códigos de transporte de radiação/código gerador de raios X e os valores medidos no tomógrafo do HU da UFS para 03 valores de kVp. Figura 3. Corte axial do objeto simulador feito de acrílico modelado com o IDN (resolução: voxel cúbico com aresta de 1 mm de comprimento). Tabela 1. Máximas diferenças percentuais entre as doses absorvidas utilizando o EGSnrc/BEAM MC e outros 02 códigos geradores de espectros de raios X X-raytbc (%) -9,45 (Muc. oral) 1,40 (Glând. Adrenais) -10,30 (Muc. oral) -2,64 (Muc. oral) (1) (2) (3) (4) X-rayb&m (%) 2,91 (Glând. adrenais) 3,65 (Glând. adrenais) 3,41 (Esôfago) 2,54 (Glând. adrenais) (1) 100 kV e 1,90 mm de Al; (2) 100kV e 10,90 mm de Al; (3) 140kV e 1,90 mm de Al; (4) 140kV e 10,90 mm de Al HU EGSnrc/genspec1 1,0 0,8 Dose relativa (u.a.) programa computacional IDN16. Esse programa modela objetos tri-dimensionais constituídos por estruturas geométricas simples (cilindro, esfera, paralelepípedo, etc...). A Figura 3 mostra um corte axial do objeto simulador composto por acrílico modelado pelo IDN. O fantoma de voxel utilizado foi o MAX0612. O MAX06 representa o paciente masculino mais próximo do paciente padrão17, e ainda incorpora as novas recomendações feitas pela Comissão Internacional de Proteção Radiológica para cálculo de dose efetiva18. Os códigos de transporte de radiação utilizados nesse trabalho foram o EGS419 e o EGSnrc20. 0,6 0,4 0,2 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Eixo do paciente (cm) Figura 4. Perfis de dose adquiridos por simulação computacional e através de medida experimental. 120 kV, 5 mm de espessura de corte. ImPACT EGS4/genspec1 EGS4/X-raytbc EGSnrc/genspec1 EGSnrc/X-raytbc 35 Discussão e conclusões A Através da Figura 5, é possível perceber que os resultados calculados pela combinação do código de transporte de radiação EGSnrc com o código gerador de espectro de raios X apresentaram os resultados mais próximos dos valores de CTDI100 medidos pelo ImPACT. Ainda, é possível destacar que, para o kVp de 140 kV, a diferença percentual foi de – 2,56%. Entretanto, não houve melhora dos resultados com o aumento do valor do kVp. CTDI 100 (mGy) 30 25 20 Diferença percentual média de 10,79% entre o CTDI 100 calculado 15 pelo EGSnrc/Xraytbc e o medido pelo grupo ImPACT. 10 5 80 90 100 110 120 130 140 kVp (kV) Figura 5. Valores de CTDI100 (câmara tipo-lápis) calculados por MC e medidos com uma câmara tipo-lápis pelo grupo ImPACT. Espessura do corte igual a 10 mm e filtração de 9,15 mm de Al. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):19-22. 21 Ferreira CC, Galvão LA, Veira JW, Maia AF Referências HU EGSnrc/genspec1 EGSnrc/Xraytbc EGSnrc/X-rayb&m 45 CTDI 100 (mGy) 40 35 30 Diferença percentual média de -5,37% entre o CTDI 100 calculado 25 pelo EGSnrc/genspec1 e o CTDI 100 medido no HU. 20 15 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 kVp (kV) Figura 6. Valores de CTDI100 (câmara tipo-lápis) calculados por MC e medidos com uma câmara tipo-lápis no tomógrafo do HU/UFS. Espessura do corte igual a 5 mm e filtração de 4,52 mm de Al. Para o tomógrafo do HU (Figura 6), a combinação do código EGSnrc com o código genspec1 produziu os resultados mais próximos dos resultados experimentais. Com o aumento do valor do kVp, houve uma melhora dos valores de CTDI100 calculados em relação aos valores de CTDI100 medidos no HU. Para o valor de 135 kV, a diferença percentual foi de 0,14%. No pior dos casos, o valor de CTDI100 calculado apresentou uma diferença percentual de 17,15% com relação ao CTDI100 medido pelo ImPACT em 120 kV. Os resultados ainda podem ser melhorados através do uso de códigos geradores de espectros de raios X mais acurados e da modelagem do filtro de forma de cabeça. Através de uma análise mais criteriosa de alguns estudos4,7 e dos resultados obtidos até o momento, é possível notar que, com o aumento da filtração (aproximadamente 9 mm de Al), o uso do código X-raytbc é o mais indicado na dosimetria numérica de TC. Enquanto que, com a redução da filtração (aproximadamente 1,90 mm de Al) o uso do código X-rayb&m torna-se mais indicado. Para filtrações intermediárias (aproximadamente 4,52 mm de Al), o uso do código genspec1 torna-se o mais indicado. Os espectros de raios X calculados pelo genspec1 ainda apresentam uma melhor acurácia com o aumento do kVp. Agradecimentos À Universidade Federal de Sergipe pelo apoio financeiro com uma bolsa de doutorado para o estudante Cássio C. Ferreira. Ao Dr. R. Kramer por ter cedido o modelo computacional de exposição EGSnrc/MAX06. Ao Dr. Glenn Stirling por ter cedido os códigos X-raytbc e o X-rayb&m. 22 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):19-22. 1. Rehani MM, Bongartz G, Golding SJ, Gordon L, Kalender K, Murakami T, Shrimpton P, Albrecht R, Wei K. International Commission on Radiological Protection (ICRP). Publication 87, Managing Patient Dose in Computed Tomography. Annals of the ICRP Volume 30(4), (2001). 2. Dixon RL. 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Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):23-6. Dosimetria em braquiterapia ocular com placa ROPES contendo sementes de iodo-125 e paládio-103 Dosimetry on Ocular Brachytherapy with ROPES Plaque with Iodine-125 and Paladium-103 seeds Arnaldo P. Mourão1,2 e Tarcísio P. R. Campos 2 Núcleo de Engenharia Hospitalar do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET/MG) – Belo Horizonte (MG), Brasil 2 Programa de Pós-graduação em Ciências e Técnicas Nucleares da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) – Belo Horizonte MG), Brasil 1 Resumo A radioterapia é uma alternativa à enucleação. No entanto, a irradiação da região ocular pode gerar efeitos deletérios, devido às altas doses, principalmente no cristalino, retina e estruturas ósseas em fase de crescimento. A braquiterapia quando comparada à teleterapia permite reduzir consideravelmente as doses nos tecidos adjacentes ao tumor reduzindo os efeitos colaterais. Um modelo computacional da região ocular foi desenvolvido com o objetivo de simular a irradiação ocular com a placa oftalmológica ROPES posicionada junto à superfície da esclera, carregada com sementes de iodo-125 e paládio-103. As simulações foram realizadas utilizando o código Monte Carlo MCNP5. Estas simulações permitiram observar a distribuição espacial da dose absorvida no volume irradiado. Os resultados obtidos foram normalizados em 100% para a dose máxima que ocorre na base do tumor para cada uma das fontes utilizadas. A dose máxima foi encontrada no interior do vítreo e o presente modelo apresenta um avanço na simulação e predição da dose obsorvida em braquiterapia ocular. Palavras-chave: braquiterapia, braquiterapia ocular, placa oftalmológica, código Monte Carlo. Abstract Radiotherapy is an alternative to ocular enucleation. However, the irradiation of ocular region can bring deleterious effects due to the high doses, mainly in the lens, retina and in the bone structures in growth phase. Brachytherapy instead of teletherapy looks for departuring absorbed doses in tumor minimizing doses in the lens and the adjacent tissues of the eyeball (orbital region), avoiding deleterious effects. Thus, a three-dimensional computational model of ocular area was developed to simulate orbital irradiation with ROPES ophthalmologic plaque placed on the sclera surface filled to ten iodine-125 seeds, and palladium-103 seeds. Simulations are performed on the MCNP5 code. The computational simulation allows evaluating how the dose rates are spatially distributed in the orbital volume. The results are normalized to 100% at the maximum dose on the tumor base, and by the applied source activity. The maximum dose is found onto the eyeball, in the vitreous. The present model represents an advance in simulating and predicting absorbed dose on ocular brachytherapy. Keywords: brachytherapy, ocular brachytherapy, ocular plaque, Monte Carlo code. Introdução O melanoma ocular e o retinoblastoma são os tumores oculares mais comumente encontrados em pacientes adultos e pediátricos, respectivamente. A enucleação é um tratamento tradicional que consiste na remoção total do bulbo ocular. A radioterapia ocular é um método alternativo que possibilita a preservação do bulbo ocular. A teleterapia utiliza radiação de fótons e de prótons ao passo que braquiterapia utiliza placas com diferentes tipos de radioisótopos encapsulados e apresenta menores efeitos colaterais que aqueles apresentados pela teleterapia1. A braquiterapia com a utilização de placas oftalmológicas é uma boa alternativa para o controle e tratamento de tumores ocorrentes na região da úvea e retina, pois permite o posicionamento do material radioativo junto à superfície da esclera. A placa é posicionada e fixada sobre a região tumoral durante um período de tempo que permita depositar uma dose suficiente para o controle tumoral. Comparando a braquiterapia com placas oftalmológicas com a teleterapia, a braquiterapia permite liberar Correspondência: Arnaldo Prata Mourão – Núcleo de Engenharia Hospitalar (NEHOS/CEFET) – MG, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Av. Amazonas, 5253, Nova Suiça - Sala 113, CEP: 30480-000, Belo Horizonte (MG), Brasil – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 23 Mourão AP, Campos TPR Figura 1. Imagens de corte do modelo acoplado do bulbo ocular geradas a partir da interface gráfica do MCNP.5v. (a) corte axial, (b) corte sagital e (c) corte coronal. altas doses de radiação no tumor preservando os tecidos sadios das estruturas próximas2,3. O objetivo deste artigo é apresentar um novo modelo computacional da região ocular e simular o posicionamento de uma placa oftalmológica contendo sementes de 125I e 103Pd. Uma simulação através do código Monte Carlo, utilizando um modelo de voxel da região ocular, permite observar a distribuição da dose absorvida no interior do bulbo ocular, vítreo e cristalino, e nas estruturas externas, ossos, nervo óptico e cérebro, devido aos fótons gama e X.4,5 Materiais e métodos O trabalho consiste de um modelo computacional da região ocular no qual foi incorporada uma placa oftalmológica modelo ROPES contendo sementes de iodo-125 e sementes de paládio-103 posicionada na região medial do bulbo ocular. O MCNP5 foi utilizado para simular os dois processos de irradiação e para gerar a distribuição espacial da dose característica de cada um dos radionuclídeos utilizados. Modelo ocular computacional O modelo ocular foi desenvolvido através do acoplamento de três modelos distintos: um modelo analítico e dois modelos de voxels. O primeiro modelo de voxel definiu toda a estrutura da região ocular sendo obtido através de imagens tomográficas do human visible man project6. Um conjunto de 43 cortes axiais do crânio do homem foi selecionado de maneira a conter toda a região de interesse. Das imagens de corte do crânio foi retirada somente a região de interesse que permitiu definir um volume de 41 x 50 x 38,7 mm3 contendo 82 x 100 x 43 voxels. Um modelo analítico foi feito para definir as estruturas internas do bulbo ocular. Como o bulbo ocular possui 24 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):23-6. estruturas muito delgadas o tamanho do voxel definido através do primeiro modelo era demasiadamente grande para definir as membranas do bulbo ocular e por essa razão, as estruturas internas do bulbo ocular foram redefinidas por esse segundo modelo (esclera, coroide, retina, cristalino, vítreo e córnea). Os parâmetros geométricos aplicados para a construção dos volumes foram obtidos através de medidas das estruturas anatômicas de um homem adulto encontradas na literatura, conjuntamente com medições em imagens das estruturas oculares6,7. A estrutura externa da superfície da esclera apresenta valores máximos em x, y e z de 24,3, 23,6 e 24,3 mm, respectivamente. A região do vítreo foi definida em um modelo de voxels com o objetivo de permitir a medição da distribuição da dose no interior do bulbo ocular. Cada célula (voxel) no interior do vítreo possui as dimensões de 0,5 x 0,5 x 0,5 mm3. O modelo final da região ocular foi obtido pelo acoplamento dos três modelos e a Figura 1 apresenta três imagens de corte geradas a partir desse modelo acoplado através da interface gráfica do MCNP54,8. A placa ROPES A placa oftalmológica de braquiterapia tem o formato de uma calota esférica com a superfície côncava definida por um raio de 12,15 mm, correspondente ao raio médio que define o volume do bulbo ocular humano. Possui cavidades para a acomodação de sementes contendo material radioativo. A placa modelo ROPES utilizada nas simulações possui 15 mm de diâmetro e acomoda até 10 sementes, sendo posicionada junto à superfície da esclera sobre a região do tecido tumoral3,4,7. A placa foi carregada duas vezes com dois tipos de sementes, contendo iodo-125 ou paládio-103 e incorporada ao modelo computacional na região medial do bulbo ocular permitindo a realização de simulações com dois radionuclídeos distintos. Dosimetria em braquiterapia ocular com placa ROPES contendo sementes de iodo-125 e paládio-103 O iodo-125 é um radioisótopo emissor de fótons com energia entre 27-35 keV e meia-vida de 59,408 dias e o paládio-103 decai pela emissão de fótons com energia entre 20-23 keV e período de meia-vida de 16,991 dias, sendo que ambos decaem por captura eletrônica. Estes radionuclídeos são disponibilizados na forma de sementes cilíndricas medindo 4,5mmx0,8mm, sendo considerados radionuclídeos ótimos para o tratamento de tumores do bulbo ocular5,9,10. A Figura 2 apresenta a imagem da placa oftalmológica ROPES de 15 mm de diâmetro utilizada nas simulações. Esta placa possui uma cobertura externa de aço inox que tem por objetivo reter as sementes nas cavidades e absorver a parcela do feixe que se propaga em direção contrária à do tumor. Código MCNP O MCNP é um código utilizado para simular o transporte de partículas como nêutrons, fótons e elétrons e suas interações com o meio, possibilitando observar inclusive a distribuição de dose em determinadas estruturas. Este código foi inicialmente desenvolvido para a observação do transporte de nêutrons e posteriormente estendido para incluir outras partículas, tais como os fótons e os elétrons. O código MCNP trabalha com uma configuração tridimensional utilizando uma tabela contendo as características de cada um dos tecidos e materiais definidos através de células geométricas e tem sido extensivamente utilizado para validar o uso de braquiterapia com radioisótopos emissores de fótons8. Figura 2. Imagem da placa oftalmológica ROPES apresentando a distribuição espacial das sementes radioativas. Resultados A placa ROPES foi incorporada ao modelo da região ocular no MCNP5 para a realização das simulações computacionais. Os resultados obtidos através do MCNP5 foram introduzidos no SISCODES11 e transformados em uma matriz de distribuição de dose. As seções das matrizes foram plotadas através de uma rotina que permite apresentar a distribuição espacial da dose absorvida. A Figura 3 apresenta nas imagens a, b e c três cortes axiais com a distribuição da dose absorvida gerada pela irradiação com o iodo-125 e nas imagens d, e e f a distribuição de dose pela irradiação com o paládio-103. Nestas imagens os dados da distribuição da dose absorvida interna ao bulbo ocular foram acoplados aos dados da distribuição da dose absorvida da região externa, sendo que as simulações foram realizadas separadamente no MCNP5. A legenda de cores indica o percentual das faixas de dose tanto interna como externa ao bulbo ocular. Para o iodo-125 o valor máximo da taxa de dose absorvida na região interna ao bulbo ocular é de 1,42.10-4 Gy.h-1.MBq-1. Este valor deve ser considerado como referência (100%) para a observação da distribuição espacial da dose absorvida no interior do bulbo ocular. O valor máximo da taxa de dose absorvida na região externa ao Figure 3. Distribuição da dose absorvida devido à placa ROPES carregada com dez sementes. (a) z = 1mm 125I, (b) z = 2.7mm 125 I, (c) z = 4.5mm 125I, (d) z = 1mm 103Pd, (e) z = 2.7mm 103Pd, (f) z = 4.5mm 103Pd. bulbo ocular é de 2,21.10-5 Gy.h-1.MBq-1 e este valor deve ser considerado como referência (100%) para a observação da distribuição espacial da dose absorvida na região externa ao bulbo ocular. Para o paládio-103 o valor máximo da taxa de dose absorvida na região interna ao bulbo ocular é de 2,32.10-4 Gy.h-1.MBq-1. Este valor deve ser considerado como referência (100%) para a observação da distribuição espacial da dose absorvida no interior do bulbo ocular. O valor máximo da taxa de dose absorvida na região externa ao bulbo ocular é de 1,82.10-5 Gy.h-1.MBq-1 e este valor deve ser considerado como referência (100%) para a observação da distribuição espacial da dose absorvida na região externa ao bulbo ocular. A Figura 4 apresenta um gráfico normalizado da variação da dose com a profundidade no interior do vítreo para a irradiação com o 125I e o 103Pd ao longo de um eixo que parte Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):23-6. 25 Mourão AP, Campos TPR radioativas. As simulações permitem avaliar a distribuição espacial da dose absorvida em função da atividade em MBq e do tempo de exposição. A escolha do radioisótopo a ser utilizado depende da base do tumor e da dose terapêutica a ser definida para o ápice do tumor. A tabela 1 apresenta os resultados da simulação considerando o ápice do tumor em 3 e 5 mm de profundidade e uma terapêutica de 80Gy no ápice do tumor12. A penetração do feixe do 103Pd é menor que a do 125I, por esta razão, apresenta menor dose absorvida no cristalino. De maneira inversa, a dose absorvida na entrada do vítreo, junto à retina, geradas pelo paládio-103 são maiores para uma mesma dose terapêutica. Figura 4. Variação da dose absorvida no interior do vítreo. Tabela 1. Dose absorvida para dose terapêutica de 80Gy no ápice do tumor Local Vítreo Reg. externa Cristalino Dose (Gy) Ápice 3mm 125 103 I Pd 122,40 129,66 19,03 10,21 70,11 51,70 Dose (Gy) Ápice 5mm 125 103 I Pd 201,31 224,72 31,31 17,69 115,31 89,60 do centro da placa ao centro do bulbo ocular. O gráfico foi obtido a partir das simulações no MCNP5 e levam em consideração a dose absorvida em cada ponto considerando a dose máxima a 1,5 mm de profundidade, que corresponde à espessura da esclera, coroide e retina nesta região. Discussão e conclusões O desenvolvimento de um modelo acoplado de voxels: modelo de voxels interno e o modelo de voxels externo, com o modelo analítico das estruturas do bulbo ocular, demonstra um avanço nos protocolos de dosimetria para radioterapia de tumores do bulbo ocular. O presente modelo será utilizado para a investigação em simulações de outros tipos de dispositivos radioativos. Este artigo apresenta a utilização de uma placa comercial com o carregamento de dois tipos de sementes 26 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):23-6. Referências 1. Sauerwein W, Gerard JP. Radiothèrapie des tumeurs intraoculaires. Cancer Radiother. 1999;3 Suppl 1:102-6. 2. Desjardins L, Coutourier J, Doz F, Gautiers-Vilars M, Sastre X. Tumeurs de la retine, Ophtalmologie. 2003; 1:18-37. 3. Granero D, Perez-Calatayud J, Ballester F, Casal E, De Frutos JM. Dosimetric study of the 15 mm ROPES eye plaque. Med Phys. 2004;31(12):3330-6. 4. Mourão AP, Campos TPR. 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Camargo (HAAC) – São Paulo (SP), Brasil Resumo A condição de referência estabelecida para determinação da dose absorvida em água, segundo o TRS-398, depende de alguns parâmetros eletromecânicos do acelerador linear. Assim, em princípio, incertezas na definição desses parâmetros podem ocasionar variação na dosimetria da máquina. O objetivo do presente estudo é avaliar a influência que as alterações nos parâmetros de controle de qualidade, cujos limites de tolerância são estabelecidos pelo TECDOC-1151, causam no resultado da dosimetria do feixe de fótons. Para isso, foram variados alguns parâmetros do acelerador (ângulo de gantry e de colimador, tamanho de campo e distância foco-superfície) e o posicionamento da câmara de ionização. Os resultados dessas alterações na dosimetria foram avaliados. Nos intervalos de variações dos itens de controle de qualidade (que foram além das tolerâncias estabelecidas pelo TECDOC-1151), os desvios ficaram menores que 1% da referência para todos os parâmetros analisados; os desvios para variações na posição da câmara foram menores que 0,2% para variações laterais e longitudinais, mas chegaram a quase 3% para alterações na profundidade. Palavras-chave: radioterapia, controle de qualidade, dosimetria, incertezas. Abstract The reference condition established to determine the absorbed dose in water of a linear accelerator, according to TRS-398, depends on some electro-mechanics parameters. Furthermore, in principle, uncertainties in the parameters settings may results in dosimetry variations. The goal of this study is to analyze the influence in quality control parameters changes, which tolerance limits are established by TECDOC-1151, in the dosimetry result of photon beam. For this, some parameters (gantry and collimator angle, field size and source to surface distance) and chamber position were changed. The results of these changes were evaluated. For the variation range of quality control items (that went beyond the tolerance limits established by TECDOC-1151), the deviations got less than 1 % of reference for all analyzed parameters; the deviations for the ionization chamber position variation were less than 0,2 % for lateral and longitudinal variations although almost got to 3% for depth alterations. Keywords: radiotherapy, quality control, dosimetry, uncertainties. Introdução Em radioterapia, os aceleradores lineares são utilizados para tratamentos de pacientes com câncer. Esses aparelhos devem ser testados periodicamente por meio de um programa estabelecido de controle de qualidade, sendo o físico médico o profissional responsável pela implementação e execução dos testes. No Brasil, o protocolo mais usado é o TECDOC-1151 da IAEA1, que consiste em uma série de recomendações para garantia da qualidade em radioterapia, incluindo descrições de testes e tolerâncias para cada parâmetro analisado. Outra responsabilidade do físico médico é fazer a calibração da máquina de tratamento, isto é, determinação da dose absorvida em determinada condição de referência. No Brasil, muitas instituições seguem outro protocolo da IAEA para calibração do feixe em água, o TRS-3982, que possui recomendações de diversos tipos de feixes de teleterapia (fótons, elétrons, prótons e íons pesados). Visto que o TRS-398 especifica condições de referência para a determinação da dose absorvida em água e estas estão diretamente relacionadas com parâmetros eletro-mecânicos do acelerador, as incertezas na definição de alguns desses parâmetros podem, em princípio, influenciar no resultado da dosimetria. O objetivo deste trabalho é avaliar a influência das variações de alguns parâmetros, segundo o TECDOC-1151, na dosimetria seguindo o arranjo experimental padronizado Correspondência: Petrus Paulo C. E. da Silva - Hospital A.C.Camargo - Radioterapia, Rua Professor Antônio Prudente, 211 - Liberdade - São Paulo (SP), Brasil - CEP 01509-010. E-mails: Lucas A. Radicchi - [email protected], Leandro dos Santos Baptista - [email protected], Petrus Paulo C. E. da Silva - [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 27 Radicchi LA, Baptista LDS, Silva PPCE pelo TRS-398. Além disso, avaliar a influência do posicionamento da câmara de ionização na dosimetria. Material e métodos No estudo foram utilizados um objeto simulador de água de 40,0 cm x 32,5 cm x 40,0 cm, câmara de ionização tipo Farmer modelo 30013 da PTW e eletrômetro tipo E modelo E10002-20256 da PTW. O acelerador linear utilizado neste estudo foi o modelo Clinac iX (Varian) e fótons de 6 MV. Inicialmente, foi feito um controle de qualidade utilizando os testes e tolerâncias descritos no TECDOC-1151 para testes mecânicos e radioativos do acelerador linear. Com isso, garante-se que o acelerador está dentro dos limites estabelecidos e também se determina a condição de referência para gantry, colimador, tamanho de campo, centro do reticulado e a distância foco-superfície (DFS). Tabela 1. Condições de referência Parâmetro Gantry Colimador Tamanho de campo DFS Profundidade Valor 0o 0o 10 cm x 10 cm 100 cm 10 cm Tabela 2. Parâmetros avaliados do TECDOC-1151 na dosimetria do TRS-398 Parâmetro Gantry Colimador Tamanho de campo DFS Referência 0o 0o Tolerância 1o 1o 10 x 10 cm 2 mm 100 cm 2 mm Variação 0,5º a 2,0o 0,5o a 2,0o 9,5 x 9,5 cm a 10 x 10 cm 99,5 a 100,5 cm Tabela 3. Parâmetros avaliados no posicionamento da câmara de ionização na dosimetria do TRS-398 Posição Lateral (x) Longitudinal (y) Vertical (z) Referência 0 mm 0 mm 0 mm Variação 1 mm a 5 mm -5 mm a 5 mm -5 mm a 5 mm Figura 1. Definição das coordenadas de referência para o posicionamento da câmara de ionização. A origem (x=y=z=0) refere-se ao ponto efetivo de medição da câmara de ionização no centro do reticulado e na profundidade de 10,0 cm. 28 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):27-30. Após esse controle de qualidade, a câmara de ionização foi cuidadosamente posicionada no centro do reticulado dentro do objeto simulador alinhado e os parâmetros que foram estabelecidos como referência seguindo as recomendações do TRS-398 estão na Tabela 1. Para o estudo da influência dos parâmetros do TECDOC-1151 na dosimetria, foram variados os valores tidos como referência além do intervalo de tolerância estabelecido, como mostra a Tabela 2. Para o estudo da influência do posicionamento da câmara de ionização na dosimetria, sua posição foi variada (convenção dos eixos mostrada na Figura 1) além do intervalo em que o erro pode ser detectável por observação (assumindo ±2 mm), como mostrado na Tabela 3. Todos os valores que serão apresentados são variações das leituras da câmara de ionização normalizadas para as condições de referência, sendo que em cada leitura, a temperatura e pressão foram avaliadas para eventuais correções. Resultados Influência dos parâmetros do TECDOC-1151 A Figura 2 apresenta os desvios percentuais, em relação à condição de referência, das leituras da câmara de ionização para variações dos parâmetros do TECDOC-1151 analisadas. Observa-se que os desvios ficaram menores que 1 % da referência para todos os parâmetros analisados. Os valores dos desvios das leituras nas tolerâncias do TECDOC-1151: para ângulo de gantry (1o), (-0,20 ± 0,02) %; ângulo de colimador (1o), (+0,01 ± 0,01) %; tamanhos de campo (9,8 e 10,2 cm), (-0,25 ± 0,02) % e (+0,26 ± 0,02) % respectivamente; e DFS (99,8 e 100,2 cm), (+0,37 ± 0,02) % e (-0,30 ± 0,02) % respectivamente. Influência do posicionamento da câmara de ionização A Figura 3 apresenta os desvios percentuais, em relação à condição de referência, das leituras da câmara de ionização para variações das três coordenadas espaciais do posicionamento da câmara. Os valores dos desvios das leituras no posicionamento lateral e longitudinal da câmara foram menores que 0,2 %. Já na profundidade da câmara (eixo-z), foram mais significantes, chegando a 3 %. Os valores dos desvios em cada sentido foram: para x = ±2 mm, (-0,05 ± 0,02) %; y = -2 mm, (+0,061 ± 0,004) %; y = +2 mm, (-0,061 ± 0,004) %; z = -2 mm, (-1,14 ± 0,03) %; e z = +2 mm, (+1,03 ± 0,03) %. Discussão e conclusões Conforme mostrado nos resultados, as variações isoladas de cada parâmetro no intervalo de tolerância preconizado Análise da influência das variações dos parâmetros de controle de qualidade na determinação da dose absorvida em água Figura 2. Leituras normalizadas, em relação à condição de referência, para variações de parâmetros do acelerador linear (ângulo de gantry, ângulo de colimador, tamanho de campo e distância foco-superfície, DFS). Figura 3. Leituras normalizadas, em relação à condição de referência, para variações de posicionamento da câmara nos sentidos lateral, longitudinal e profundidade. pelo TECDOC-1151 não provocam desvios significativos em relação à referência. Portanto, os padrões sugeridos pelo TECDOC-1151 proporcionam uma segurança na realização dos testes garantindo a qualidade dos tratamentos na radioterapia por propiciar um desvio não significativo na dosimetria do acelerador linear para os padrões do TRS-398. No entanto, cabe salientar, que tal efeito pode ter uma significância maior quando tecnologias modernas em radioterapia estão envolvidas, como a radioterapia com intensidade modulada do feixe (IMRT) e radiocirurgia (RS), em que são utilizados campos menores e mais sensíveis a pequenas variações3. Por isso, os testes de controle de qualidade devem ser realizados anteriormente à dosimetria para garantir que os parâmetros mecânicos da máquina estão dentro das tolerâncias do TECDOC-1151 evitando que estes erros se combinem, produzindo desvios mais acentuados na dosimetria. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):27-30. 29 Radicchi LA, Baptista LDS, Silva PPCE Referências 1. IAEA/TECDOC 1151. Aspectos Físicos da Garantia da Qualidade em Radioterapia – Protocolo de Controle de Qualidade. Tradução para o português. Rio de Janeiro: INCA; 2000. 30 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):27-30. 2. International Atomic Energy Agency. Absorbed dose determination in external beam radiotherapy. Technical Report Series n. 398. Vienna: IAEA; 2000. 3. LoSasso T, Chui CS, Ling CC. Comprehensive quality assurance for the delivery of intensity modulated radiotherapy with a multileaf collimator used in the dynamic mode. Med Phys. 2001;28(11)2209-19. Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):31-5. Testes Dosimétricos do Algoritmo Analítico Anisotrópico Implementado no Sistema de Planejamento Eclipse/Varian Dosimetric Tests of The Analitical Anisotropic Algorithm Luis Felipe O. Silva1, Delano V. S. Batista2, Saulo S. Fortes3 Serviços de Radioterapia do Hospital Universitário de Brasil (HUB) – Distrito Federal (DF), Brasil. 2 Instituto Nacional de Câncer (INCA) – Rio de Janeiro (RJ), Brasil. 3 Serviços de Radioterapia do Hospital Saúde da Mulher (HSM) – Belém (PA), Brasil. 1 Resumo O objetivo do presente trabalho é avaliar a precisão dos cálculos realizados com o Algoritmo Analítico Anisotrópico (AAA) implementado no sistema de planejamento de tratamento (SPT) Eclipse em sua versão 8.1. A avaliação foi realizada através da comparação entre doses medidas e doses calculadas em meio homogêneo e heterogêneo. Foram comparadas doses absorvidas, curvas de percentual de dose profunda (PDP), perfis de campo e distribuições de dose em um plano de um fantoma heterogêneo. Medições com câmaras de ionização foram utilizadas como referência na avaliação. As comparações entre os valores calculados pelo SPT e os medidos foram feitas pela diferença percentual de dose na mesma posição e através da menor diferença de posição em que se encontra o mesmo valor de dose (DTA – distance to agreement). Todas as medições foram realizadas com feixes de 15 MV produzidos no acelerador linear Clinac 2300 CD. Em geral, os valores calculados pelo SPT tiveram uma boa concordância com os medidos. As curvas de PDP não apresentaram, nos pontos entre 0,3 e 3 cm de profundidade e na região de equilíbrio eletrônico, valores maiores que 1% de diferença de dose ou 2 mm de DTA. Os perfis de campo apresentaram diferenças consideráveis apenas fora do campo (DTA da posição em que a dose relativa medida é 10% de até 9,1 mm). Em uma avaliação do índice gama (critério 3%, 3 mm) realizada com um fantoma de tórax heterogêneo houve a aprovação em 95,7% dos pontos. A maior dificuldade de previsão de doses ocorre nas regiões de interface entre meios de diferentes densidades eletrônicas Os resultados encontrados no presente trabalho permitem a introdução do Algoritmo Analítico Anisotrópico na prática clínica, considerando as situações nas quais há dificuldade de previsão da distribuição de dose pelo algoritmo. Palavras-chave: Radioterapia, sistema de planejamento de tratamento, SPT, dosimetria, algoritmo analítico anisotrópico, AAA. Abstract The aim of the present study is to evaluate the accuracy of calculations performed by the Anisotropic Analytical Algorithm (AAA) implemented in the Eclipse version 8.1 Treatment Planning System (TPS). The evaluation was performed by comparing measured and calculated doses in homogeneous and heterogeneous phantoms. Absorbed doses, percentage depth dose (PDD) curves, field profiles and dose distributions in a plane of a heterogeneous phantom were compared. Measurements with ionization chambers were used as benchmark. The comparisons between the calculations and measurements were performed by the dose difference in the same position and by the distance to agreement (DTA). The AAA was tested just for the 15 MV Varian Clinac 2300 CD photon beam. Generally AAA calculations matched well measured data. The PDD curves did not present, in points between 0.3 and 3 cm deep and in the electronic equilibrium region, deviations greater than 1% or 2 mm. The field profiles showed considerable differences just outside the field (DTA where the measured dose is 10% up to 9.1 mm). Using measured data in a thoracic heterogeneous phantom as reference dose points for Gamma Index Analysis (3%,3 mm), a 95,7% approval was found. The AAA showed dose distributions calculation difficulties in heterogeneous media interfaces. The results of the present study allow the introduction of AAA in clinical practice, considering the situations in which there is difficulty in predicting the dose distribution. Keywords: Radiotherapy, treatment planning system, TPS, dosimetry, analytical anisotropic algorithm, AAA. Introdução A Varian Medical Systems implementou, em seu sistema de planejamento de tratamento (SPT) Eclipse, um novo algoritmo para o cálculo de dose, o Algoritmo Analítico Anisotrópico (AAA), adquirido pelo Instituto Nacional do Câncer (INCa) em sua versão 8.1. O AAA é um algoritmo que considera a heterogeneidade do meio anisotropicamente e usa convoluções para computar fótons espalhados em múltiplas direções. A distribuição de dose Correspondência: Luis Felipe Oliveira e Silva – Serviço de Radioterapia do HUB, Av. L2 Norte, SGAN 604/605, Asa Norte, Brasília (DF), Brasil. CEP: 70840050 – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 31 Oliveira e Silva LF, Batista DVS, Fortes SS é calculada como a superposição de diferentes fontes de radiação. O algoritmo usa uma modelagem derivada de simulações de Monte Carlo para fótons primários, fótons extras focais espalhados e elétrons de contaminação1. Trabalhos publicados baseados em curvas de doseresposta clínica concluem que a incerteza na entrega de dose nos pacientes deve ser menor que 5%2. Para garantir esta precisão é essencial que seja realizado um controle de qualidade antes do uso de um SPT. Esta preocupação gerou documentos que descrevem procedimentos para o comissionamento e controle de qualidade (CQ) dos SPTs como: o TRS 4303, publicado pela Agência Internacional de Energia Atômica (IAEA)4; o Report 55, publicado pela AAPM; e o Booklet no. 7, publicado pela ESTRO5. Diversos testes de algoritmos foram publicados comparando as doses previstas pelo SPT com doses medidas ou com doses calculadas por simulação de Monte Carlo6-20. A maior preocupação em meios heterogêneos é no pulmão, região que apresenta as maiores diferenças dos cálculos realizados com e sem correção de heterogeneidades10-19. O objetivo do presente trabalho é avaliar a precisão dos cálculos realizados com o AAA através da comparação de doses medidas com doses previstas pelo SPT em meio homogêneo e heterogêneo. Foram comparadas doses absorvidas, curvas de percentual de dose profunda (PDP), perfis de campo e distribuições de dose em um plano de um fantoma heterogêneo. Materiais e métodos Medições em diferentes configurações de feixe foram utilizadas como referência para avaliar os cálculos realizados pelo AAA. As comparações entre os valores previstos pelo SPT e os medidos foram feitas pela diferença percentual Figura 1. Configurações de MLC utilizadas para testes do AAA. 32 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):31-5. de dose na mesma posição e através da menor diferença de posição em que se encontra o mesmo valor de dose (DTA, distance to agreement). Todas as medições foram realizadas com feixes de 15 MV produzidos no acelerador linear Clinac 2300 CD. Testes em meio homogêneo As medições foram realizadas com câmara de ionização Exradin A16 com 0,007 cc em um fantoma automatizado Wellhofer Blue Phanton. Foi utilizado o eletrômetro CU500E e o software WP700 3.5 para análise dos dados. A distância fonte superfície utilizada foi de 100 cm em todos os casos. Os cálculos realizados no SPT Eclipse foram feitos em um fantoma virtual de 30x30x30 cm3, com unidade Hounsfield equivalente da água (0). Os dados obtidos para comparação foram: • curvas de percentual de dose profunda (PDP) para campos abertos quadrados 3x3, 5x5, 10x10, 15x15 e 20x20 cm2; para o campo retangular 8x25 cm2 e para o campo conformado pela configuração de MLC E, representada na figura 1; • perfis de campo na direção inplane a 3, 5, 10, e 20 cm de profundidade dos campos abertos 3 x 3, 6 x 6, 10 x 10, 15 x 15 e 20 x 20 cm2; • perfis de campo na direção inplane a 10 cm de profundidade adquiridos com 4 configurações de MLC (A,B,C,D), representadas na figura 1; • doses absorvidas adquiridas com as configurações de MLC A, D e E. As medições foram realizadas com a câmara de ionização posicionada: 1) no eixo central a 10 cm de profundidade com a configuração A; 2) deslocado do eixo central 2,75 cm na direção inplane com a configuração D; 3) no eixo central a 5 cm de profundidade com a configuração E. Testes em meio heterogêneo Quatro bastões de PVC medindo 1x1x20 cm3, presos a uma peça de acrílico, foram colocados no fantoma Wellhofer Blue Phanton para a obtenção de perfis de campo (Figura 2). Para a realização dos cálculos no SPT, foi feita uma tomografia com os bastões posicionados em outro fantoma medindo 30 x 30 x 30 cm3 (Figura 3) de forma a reproduzir a profundidade na água usada nas medições. Os perfis de campo foram medidos e calculados na direção crossplane nas profundidades de 3,5 cm (bem próxima aos bastões), 5 cm e 10 cm. O tamanho de campo utilizado foi 20 x 20 cm2 e a distância fonte-superfície foi 100 cm. Foi adquirido um meio perfil de campo na direção inplane em um fantoma feito com placas de cortiça entre uma placa de água sólida de 5 cm e duas placas de acrílico de 1 cm cada (Figura 4). As medições foram feitas com a câmara de ionização PTW TN31016 Pin Point posicionada na cortiça e eletrômetro Unidos E. Para obtenção do meio perfil, o detector foi deslocado junto com as placas de cortiça e seu posicionamento foi realizado com o auxílio do reticulado do campo luminoso e de um paquímetro. Testes Dosimétricos do Algoritmo Analítico Anisotrópico Implementado no Sistema de Planejamento Eclipse/Varian O tamanho de campo usado foi 10 x 10 cm2 e a distância fonte-superfície foi 100 cm. Uma avaliação do índice gama foi realizada em medições feitas com o arranjo de detectores 2 D Array da PTW em um fantoma heterogêneo de tórax feito de placas de acrílico de 3 cm, duas das quatro utilizadas possuem cavidades para a inserção de um material que simula a densidade eletrônica do pulmão e de um bastão que simula a do osso, feito pela Standard Imaging. O arranjo de detectores foi colocado logo após o material que simula o pulmão. O tamanho de campo usado foi 25x25 cm2 e foram feitas medições com distância fonte-superfície 100 cm. A avaliação foi realizada com o auxílio do software Verisoft da PTW. Resultados e discussão Testes em meio homogêneo A tabela 1 mostra o resumo dos resultados obtidos nas comparações das curvas de PDP normalizadas em 100% a 3 cm de profundidade. São apresentadas as diferenças percentuais mínima, máxima, média e o desvio padrão de dose após 3 cm de profundidade (região de equilíbrio eletrônico) e os valores mínimo, máximo, médio e desvio padrão de DTA antes de 3 cm (região de buid up) Nas curvas de PDP, os cálculos gerados no SPT tiveram boa concordância com os valores medidos, a média de todas as diferenças de dose, na região de equilíbrio eletrônico, foi inferior a 1% e o valor máximo obtido foi inferior a 1,5%. Os resultados sugerem uma tendência do AAA em subestimar as doses de entrada na superfície para os campos maiores. Nos campos 15 x 15, 20 x 20, 8 x 25 e MLC E, o algoritmo gerou valores menores do que os medidos para estas doses. Entretanto, em nenhum ponto da região entre 0,3 e 3 cm foi encontrado um valor maior que 1% de diferença de dose ou 2 mm de DTA. A qualidade da modelagem da penumbra pode ser avaliada pelos valores da DTA de 10% e 90% das doses relativas medidas (DTA10% e DTA90%). Os valores médios dos perfis obtidos a 3, 5, 10 e 20 cm de profundidade estão na tabela 2. Este resultado é considerado satisfatório, porém foram encontrados valores de DTA10% elevados (até 9,1 mm) para os campos maiores (15x15 e 20x20 cm2) na penumbra gerada pelo colimador Y2 do acelerador. Observa-se uma tendência de subdosagem pelo AAA nesta região. As doses absorvidas calculadas com os campos MLC A e E apresentaram excelente concordância com as medições (diferenças menores que 0,5%). O campo com configuração de MLC D apresenta uma complexidade maior. Na vizinhança do ponto de cálculo há regiões em que não há feixe direto incidente. Neste caso a diferença de dose encontrada foi de 3,8%. Dos perfis de campo obtidos com as configurações de MLC A, B, C e D será apresentado apenas o obtido com a configuração D, representado na figura 5. Figuras 2 e 3. Fantoma e imagem tomográfica utilizados na obtenção de perfis de campo abaixo dos bastões de PVC. Figura 4. Fantoma e imagem tomográfica utilizada na obtenção de meio perfil na heterogeneidade. As normalizações das curvas obtidas apresentadas foram feitas considerando as diferenças de dose absorvida medida e calculada encontrada com esta configuração (3,8%): em 100%, para as doses calculadas, e em 100+3,8%, para as doses medidas, na posição 2,75 cm. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):31-5. 33 Oliveira e Silva LF, Batista DVS, Fortes SS Tabela 1. Resumo dos resultados obtidos nas comparações das curvas de PDP. Campo 3x3 5x5 10x10 15x15 20x20 8x25 MLC E Diferença % de dose na região de equilíbrio eletrônico [%] Média ± Mín / Máx Desv. Pad. -0,9 / 1,1 0,1 ± 0,5 0,0 / 0,9 0,5 ± 0,5 0,0 / 1,0 0,6 ± 0,2 0,0 / 1,4 1,0 ± 0,2 0,0 / 1,2 0,6 ± 0,3 0,2 / 1,1 0,8 ± 0,2 0,0 / 1,4 1,0 ± 0,2 DTA na região de build up [mm] Mín / Máx -0,7 / 0,5 -0,1 / 1,0 0,1 / 1,4 0,0 / 4,4 0,0 / 7,9 0,0 / 4,0 0,4 / 2,1 Média ± Desv. Pad. -0,3 ± 0,3 0,3 ± 0,3 0,7 ± 0,3 1,0 ± 1,0 1,6 ± 2,0 1,1 ± 1,0 1,0 ± 0,5 Tabela 2. DTA médio de 10% e 90% das doses medidas obtido a partir do perfis a 3, 5, 10 e 20 cm de profundidade. Profundidade [cm] 3 5 10 20 DTA10% [mm] -2,7/0,5 -2,4/1,0 -3,3/1,6 -4,2/2,1 DTA90% [mm] 0,4/-1,1 0,7/-1,2 0,9/-1,5 1,0/-1,5 Figura 5. Perfis de campo, calculados (AAA) e medidos com câmara de ionização (CI), obtidos com as configurações de MLC D a 10 cm de profundidade. Figura 6. Avaliação do índice gama realizado com o fantoma de tórax. 34 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):31-5. O perfil de campo calculado com o AAA com a configuração de MLC A apresentou uma boa concordância com as doses medidas na região dentro do campo (pontos em que a dose relativa medida é maior que 50%). A diferença de dose média e máxima encontrada foi de -0,6 e 1,9%, respectivamente. Fora do campo foram observadas diferenças maiores. O DTA10% encontrado foi aproximadamente 8 mm. Os perfis de campo gerados com as configurações de MLC B e C apresentam valores de DTA90% maiores (B: 0,3 mm e -1,7 mm; C: 2,3 mm e -3,4 mm) do que os gerados pelos colimadores (1,0 mm e -1,0 mm para o campo 10 x 10 cm2 a 10 cm de profundidade), possivelmente devido a não modelagem da borda arredondada da lâmina nos campos estáticos. O parâmetro gerado com as medições do leaf gap é utilizado somente em campos com MLC dinâmico. Este também é um dos possíveis motivos das diferenças de dose observadas na região em que o perfil obtido com a configuração D tangencia as lâminas (posição -5cm). As doses previstas pelo AAA na região do campo gerado com a configuração B protegida apenas pelas lâminas apresentam valores maiores que os medidos (aproximadamente 5 cGy de diferença). Sugerindo a necessidade de um ajuste no valor da transmissividade do MLC usado para alimentar o algoritmo. O AAA apresentou uma suavização da diferença de dose nos pontos protegidos por lâminas (posições 0 e 5 cm). Este resultado sugere que os pesos dados aos espalhamentos gerados em diferentes regiões podem necessitar de ajuste na modelagem usada pelo algoritmo. Testes em meio heterogêneo Nos testes realizados com os bastões de PVC, as doses foram normalizadas em 100% em posições de baixo gradiente de dose e as análises realizadas somente na região em que as doses medidas foram maiores que 90%. A maior diferença percentual de dose encontrada foi no perfil obtido mais próximo aos bastões: 5,6%. As comparações dos perfis sugerem uma modelagem pior da distribuição de dose nas regiões próximas à heterogeneidade (o desvio padrão da média das diferenças percentuais de dose foram 1,7%, 1,2% e 1,2% para os perfis obtidos a 3,5; 5; e 10 cm de profundidade, respectivamente). Este resultado pode ser uma evidência da aproximação da modelagem usada pelo algoritmo: a correção de heterogeneidade é feita considerando apenas um número discreto (16) de direções perpendiculares aos beamlets, ou seja, a diferença de espalhamento provocada por heterogeneidades em outros planos não é considerada. Uma tendência do AAA em superestimar a dose na região abaixo dos bastões de PVC também foi observada. As diferenças percentuais de dose média foram 0,8%, 1,5%, e 1,5% para os perfis adquiridos a 3,5; 5; e 10 cm de profundidade, respectivamente. No meio perfil adquirido com o fantoma feito de cortiça, a diferença do tamanho da penumbra medida e calculada foi maior do que em meio homogêneo. Foi encontrado um valor de 4 mm de DTA no ponto em que a dose percentual medida é 90% (em meio homogêneo o maior valor foi de 2,4 mm para o campo 20 x 20 cm2 a 20 cm Testes Dosimétricos do Algoritmo Analítico Anisotrópico Implementado no Sistema de Planejamento Eclipse/Varian de profundidade). Este resultado demonstra que para o uso desta energia, em casos de irradiação de pulmão, é necessário cuidado na definição da margem dada no alvo do tratamento. O SPT pode prever uma cobertura do alvo adequada, mesmo ocorrendo subdosagem. A avaliação do índice gama realizada com o fantoma de tórax heterogêneo conforme descrito no item 2.2, está representada na figura 6. O critério utilizado na avaliação foi 3% de dose e 3mm. A figura mostra a distribuição de dose medida com o arranjo de detectores e calculada com AAA, representada em uma escala de cores, e os pontos aprovados e reprovados no critério estabelecido. Dos 729 pontos avaliados, 95,7% foram aprovados. Os pontos reprovados na avaliação do índice gama se encontram na transição do meio que simula o pulmão com o acrílico. Um dos possíveis motivos da dificuldade na previsão das doses nesta região pelo algoritmo é a já citada aproximação que ocorre na fase de correção de heterogeneidade. Conclusão Em geral, os cálculos gerados no sistema de planejamento tiveram uma boa concordância com os valores medidos. Nas curvas de PDP não foi encontrado, em nenhum ponto da região entre 0,3 e 3 cm e da região de equilíbrio eletrônico, um valor maior que 1% de diferença de dose ou 2 mm de DTA. Os perfis de campo apresentaram diferenças consideráveis apenas fora do campo (DTA10% de até 9,1 mm). Na avaliação do índice gama realizada com o fantoma de tórax heterogêneo, a aprovação foi de 95,7%. Porém a colimação proporcionada pela borda arredondada do MLC gera uma penumbra prevista pelo algoritmo diferente da medida. Geometrias mais complexas de MLC podem apresentar discrepâncias maiores de doses medidas e calculadas (no presente trabalho foi encontrado diferenças de aproximadamente 4% com a configuração de MLC D). Observou-se uma dificuldade do algoritmo na previsão das doses nas regiões de interface entre meios de diferentes densidades eletrônicas. Para o uso da energia de 15 MV em casos de irradiação de pulmão é necessário cuidado na definição do tamanho de campo em virtude das diferenças das penumbras medidas e calculadas. Outros estudos mostram que a modelagem da penumbra para 6 MV é mais precisa16,18. Esta é a energia sugerida por diferentes autores16,20 para a irradiação de pulmão. Os resultados encontrados permitem a introdução do AAA na prática clínica, tendo em vista as situações nas quais há dificuldade de previsão da distribuição de dose pelo algoritmo. Referências 1. Eclipse Algorithms Reference Guide (P/N B500298R01C), Varian Medical Systems, 2007. 2. ICRU. Report 24. 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Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):31-5. 35 Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):37-41. Sistema automático de alinhamento para avaliação do ponto focal no centro do campo de equipamentos mamográficos Automatic alignment device for focal spot measurements in the center of the field for mammography Marcelo A. C. Vieira, Alex O. Watanabe, Paulo D. Oliveira Jr., Homero Schiabel Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC/ USP) – São Paulo (SP), Brasil Resumo Alguns procedimentos realizados em controle de qualidade de aparelhos mamográficos como, por exemplo, avaliação do ponto focal, o alinhamento prévio do equipamento de medição com o feixe central de raios X. No entanto, a etapa de alinhamento nesses procedimentos é, muitas vezes, a mais difícil de ser realizada e a que necessita de mais tempo para ser cumprida. Além disso, pode ocorrer que o operador se exponha à radiação durante esse processo. Dessa forma, esse trabalho apresenta um sistema automático de alinhamento para equipamentos mamográficos que permite localizar o raio central do feixe de raios X e, imediatamente, se alinhar com ele, deslocando-se automaticamente ao longo do campo. O sistema consiste de uma mesa móvel bidirecional, acoplada a uma placa CCD para aquisição de imagens radiográficas digitais. A partir da análise computacional de uma imagem radiográfica obtida em uma posição qualquer do campo, o seu posicionamento sob o feixe de raios X é determinado. Com isso, um sistema mecânico de deslocamento em duas direções perpendiculares, controlado eletronicamente por um microcontrolador via comunicação USB, faz com que o sistema se alinhe automaticamente com o raio central do feixe de radiação. Todo o processo de alinhamento é automático, rápido e preciso, sem exposição do operador à radiação, o que permite uma economia considerável de tempo na realização de procedimentos de controle de qualidade para mamografia. Palavras-chave: mamografia, controle de qualidade, dispositivo de alinhamento, ponto focal. Abstract Some quality control procedures used for mammography, such as focal spot evaluation, requires previous alignment of the measurement equipment with the X-ray central beam. However, alignment procedures are, in general, the most difficult task and the one that needs more time to be performed. Moreover, the operator sometimes is exposed to radiation during this procedure. This work presents an automatic alignment system for mammographic equipment that allows locating the central ray of the radiation beam and, immediately, aligns with it by dislocating itself automatically along the field. The system consists on a bidirectional moving device, connected to a CCD sensor for digital radiographic image acquisition. A computational analysis of a radiographic image, acquired at any position on the field, is performed in order to determine its positioning under the X-ray beam. Finally, a mechanical system for two moving directions, electronically controlled by a microcontroller under USB communication, makes the system to align automatically with the radiation beam central ray. The alignment process is fully automatic, fast and accurate, with no operator exposure to radiation, which allows a considerable time saving for quality control procedures achievement for mammography. Keywords: mammography, quality control, alignment device, focal spot. Introdução A importância do controle de qualidade em sistemas de imagem radiológica tem sido muito reconhecida. Por um lado devido à necessidade de se garantir a segurança do exame executado, e por outro, para produzir imagens que apresentem qualidade suficiente para um diagnóstico médico confiável1. Diante disso, no Brasil, a Agência Nacional de Vigilância Sanitária do Ministério da Saúde estabeleceu, em 1998, uma portaria (MS-SVS-453/98) regulamentando os procedimentos e ensaios para avaliação da segurança e qualidade de equipamentos de radiodiagnóstico2. Correspondência: Marcelo Andrade da Costa Vieira, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de São Paulo - EESC/USP, Av. Trabalhador Sãocarlense, 400, Centro, CEP: 13566-590 - São Carlos, SP - Brasil – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 37 Vieira MAC, Watanabe AO, Oliveira Jr. PD , Schiabel H Dentre os vários parâmetros que devem ser avaliados durante as rotinas de controle de qualidade, existem alguns que devem ser aferidos no centro do campo de radiação, pois as características do feixe variam significativamente em função da sua localização no campo3. Com isso, alguns procedimentos em controle de qualidade prevêem a localização exata do raio central do feixe de raios X e o alinhamento prévio do equipamento de medição com o centro do campo1-3. O tamanho do ponto focal é um dos parâmetros que devem ser avaliados periodicamente nos programas de controle de qualidade. É considerado um parâmetro de extrema importância, principalmente em mamografia, por estar diretamente relacionado com a resolução espacial do sistema de imagem. Existem vários métodos para a avaliação deste parâmetro e, em todos eles, há necessidade do alinhamento com o feixe central4,5. No entanto, é justamente essa etapa de alinhamento que acaba, muitas vezes, se tornando a mais difícil de ser realizada e a que necessita de mais tempo para ser cumprida, devido à dificuldade prática do procedimento5-7. Além disso, em alguns casos, pode ser necessário que o operador se exponha à radiação durante este processo. Assim, esse trabalho apresenta um dispositivo que realiza a etapa de alinhamento automaticamente, a b Figura 1. Base móvel para a mesa de alinhamento. (a) vista de perfil com as dimensões da mesa. (b) vista superior mostrando o deslocamento do eixo x para o canto direito da base inferior. 38 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):37-41. visando facilitar os procedimentos de controle de qualidade para equipamentos mamográficos. O sistema consiste de uma mesa móvel bidirecional, movimentada por motores de passo que são controlados por um microcontrolador. Essa mesa pode ser colocada em uma posição qualquer do campo e uma imagem radiográfica de um dispositivo de verificação de alinhamento deve ser obtida naquela posição, utilizando um sensor CCD odontológico. A partir dessa imagem, um aplicativo computacional desenvolvido calcula a posição relativa do sistema em relação ao centro do campo. Esse valor é transmitido, via comunicação USB, para o microcontrolador acoplado à mesa bidirecional, que determina o movimento dos motores de passo de modo que a mesa fique perfeitamente alinhada com o raio central do feixe de raios X. Com isso, o tempo necessário para a realização dos procedimentos de controle de qualidade que necessitam de um alinhamento prévio torna-se bem menor do que o tempo gasto normalmente, pois a etapa de alinhamento é realizada de forma rápida, precisa e automática, sem a exposição do operador à radiação. Material e Métodos Base móvel do sistema de alinhamento Foi projetada e construída uma base móvel bidirecional para a realização do alinhamento (Figura 1a). A base, construída de alumínio, foi montada sobre trilhos com rolamentos e se desloca por um guia e um fuso em cada uma das direções. Na extremidade de cada fuso estão acoplados os dois motores de passo, de forma que a cada volta completa do motor a base se desloca 2,0 mm na direção correspondente. Os motores de passo utilizados são do tipo unipolar, com 200 passos por volta. Assim, o deslocamento da base é de 0,01 mm por passo do motor. A base possui dimensões de 210 mm de largura (eixo x), 160 mm de comprimento (eixo y) e 110 mm de altura. O deslocamento máximo da base sobre os guias é de 110 mm para ambos os eixos. Essa base deve ser posicionada no mamógrafo de modo que o eixo x fique perpendicular ao eixo catodoanodo do equipamento mamográfico. Uma característica importante a se observar é que o eixo x fica posicionado no canto direito (externo) da base inferior, conforme mostrado na Figura 1b. Isso foi feito pois os mamógrafos só possuem meio campo de radiação, já que eles têm colimadores internos para garantir que os raios X atinjam apenas a mama da paciente. Dessa forma, nos aparelhos mamográficos, o centro do campo fica próximo à extremidade da base onde a mama é posicionada durante o exame. Como a mesa de alinhamento deve se deslocar sobre essa base móvel até se alinhar com o raio central do feixe, a base da mesa também foi deslocada para garantir o equilíbrio do sistema. Sistema automático de alinhamento para avaliação do ponto focal no centro do campo de equipamentos mamográficos Cálculo do desalinhamento Após o posicionamento da base móvel no aparelho mamográfico, uma imagem radiográfica de um dispositivo de verificação de alinhamento deve ser obtida naquela posição. Dessa forma, a posição relativa do sistema em relação ao centro do campo é calculada, e o número de passos necessários para que a mesa fique alinhada com o raio central do feixe é enviado aos motores. Foi utilizado um dispositivo de verificação de alinhamento (DVA) da Nuclear Associates (Cardinal Health, Cleveland, EUA) pertencente ao kit de avaliação de ponto focal modelo Multipurpose Focal Spot/HVL Test Stand 07-622. Esse dispositivo é composto por uma peça cilíndrica de acrílico que em seu interior contém cinco esferas de tungstênio. A disposição das esferas é ilustrada na Figura 2. Quando posicionada no centro do campo, a imagem desse dispositivo mostra a esfera central exatamente no centro do quadrado formado pelas outras quatro esferas inferiores. Para obtenção da imagem radiográfica digital do DVA na posição inicial da mesa de alinhamento, foi utilizado uma placa CCD odontológica intra-oral da Gendex, modelo Visualix eHD. A placa é de aquisição direta via porta USB, possui dimensão de 37,5 x 25,5 mm com tamanho de pixel de 19,5 µm e 4096 níveis de cinza (12 bits). Foi construída também uma mesa suporte para o posicionamento do DVA e da placa CCD no campo de radiação. Essa mesa garante que o DVA e o sensor CCD fiquem alinhados e paralelos entre si. Além disso, a distância entre eles pode ser variada utilizando cilindros móveis de suporte e, dessa forma, a magnificação em que a imagem é obtida pode ser alterada sem comprometer o alinhamento e o paralelismo. A Figura 3 mostra uma imagem da base móvel, da mesa, do sensor CCD e do DVA em um equipamento mamográfico para a realização do alinhamento. O cálculo da posição inicial da mesa é feito a partir de análise computacional da imagem radiográfica do DVA utilizando um aplicativo computacional desenvolvido em linguagem Java (Figura 4). A posição da projeção da esfera central, na imagem, em relação às outras quatro esferas inferiores depende da localização, em relação ao raio central do feixe, que o dispositivo foi posicionado. A Figura 5 ilustra a geometria de exposição no processo de formação da imagem do DVA, utilizada pelo aplicativo computacional para o cálculo do desalinhamento inicial do sistema (Un) em uma das direções. O mesmo procedimento é usado para o cálculo de (Un) na outra direção. As medidas representadas por (dr) e (h) são referentes ao DVA (3 e 12 mm respectivamente). As distâncias d1 e d2 representam a distância da projeção da esfera central em relação as suas esferas adjacentes na imagem radiográfica obtida com a placa CCD naquela determinada posição. Assim, obtendo todas essas informações anteriores via análise computacional da imagem, é possível determinar a distância Un do sistema ao raio central do feixe, utilizando a Equação 1 (1) onde m é a magnificação relativa às quatro esferas inferiores e m’ referente à esfera central superior. Figura 2. Dispositivo de verificação de alinhamento (DVA). Figura 3. Base móvel bidirecional, mesa suporte, placa CCD e DVA colocados em um mamógrafo para o alinhamento. Figura 4. Tela do aplicativo computacional desenvolvido para o cálculo da posição do sistema em relação ao centro do campo. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):37-41. 39 Vieira MAC, Watanabe AO, Oliveira Jr. PD , Schiabel H Tabela 1. Resultados experimentais obtidos com o sistema de alinhamento proposto. Os sinais positivo e negativo indicam a direção do desalinhamento. Distância em X Teste 1 2 !3 Inicial mm - 9,19 +6,09 -27,90 Inicial Teste 1 2 3 Figura 5. Demonstração do cálculo geométrico proposto para aferir o desalinhamento do DVA em relação ao centro do campo Finalmente, após o cálculo do desalinhamento em ambas as direções, o aplicativo computacional envia pela porta USB os valores ao microcontrolador que está ligado aos motores de passo. O microcontrolador envia a informação de número de passos e sentido de giro aos motores e a mesa se alinha automaticamente ao raio central do feixe de raios X. Foi utilizado um microcontrolador PIC, da Microchip, modelo 18F4550. Final ° mm 1,07 -0,84 0,73 +1,05 3,24 +0,23 Distância em Y mm - 6,96 +15,46 +29,37 ° 0,10 0,12 0,03 Final ° 0,81 1,85 3,41 mm -0,06 -0,57 -1,47 ° 0,01 0,07 0,17 centro do campo. Uma nova imagem do DVA foi obtida para verificação do alinhamento final e validação do sistema desenvolvido. Esse procedimento foi repetido diversas vezes, posicionando o sistema em diferentes posições do campo e alguns resultados obtidos são apresentados na Tabela 1. Os valores dos desalinhamentos iniciais são referentes às primeiras imagens com o DVA. Já os valores dos desalinhamentos finais são referentes à segunda aquisição de imagem, ou seja, depois que o alinhamento automático já havia sido executado pelo sistema. Os valores são mostrados em milímetros e em graus, já que a norma NEMA XR5 estabelece um desalinhamento máximo de 0,5° para as medidas de ponto focal4. Resultados O dispositivo eletrônico de controle dos motores de passo da base móvel tem, além do microcontrolador, quatro botões que realizam o movimento da mesa em ambas as direções e sentidos. Isso permite que um alinhamento prévio seja feito manualmente pelo usuário, se desejado, antes da exposição aos raios X. Para verificar o funcionamento do sistema de alinhamento desenvolvido, foram realizados testes experimentais em um equipamento mamográfico Lorad MIII. Os testes foram realizados da seguinte forma: inicialmente, o sistema de alinhamento foi colocado no equipamento mamográfico e, utilizando os botões de movimentação, a mesa foi posicionada em uma região aleatória do campo. O DVA foi posicionado na mesa, juntamente com a placa CCD e uma imagem radiográfica foi obtida nessa posição. O aplicativo computacional fez a análise da imagem e os valores dos desalinhamentos em ambas as direções foram calculados. Esses valores foram enviados ao circuito de controle da mesa via comunicação USB. Finalmente, o microcontrolador envia o número de passos necessários para os motores para que eles movimentem a mesa de modo a posicionar o sistema no 40 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):37-41. Discussão e conclusões Os resultados mostram que o dispositivo desenvolvido nesse trabalho permite o alinhamento de um sistema de aquisição de imagem com o centro do campo de equipamentos mamográficos. A Tabela 1 indica que, para todos os casos, o sistema foi capaz de se alinhar com o feixe central de radiação, dentro dos limites especificados pela norma, em apenas um disparo do tubo de raios X. Esse sistema tem aplicação prática para a realização de qualquer procedimento de controle de qualidade onde há o requisito de alinhamento, mas a sua principal aplicação é na medida do tamanho do ponto focal. Para essa avaliação, o alinhamento é fundamental para a realização do procedimento de medição e é justamente a etapa mais difícil e demorada quando realizada manualmente. A placa CCD intra-oral também pode ser utilizada na aquisição da imagem da projeção do ponto focal no centro do campo (após o alinhamento) e também para a medida de função de transferência de modulação (MTF) do equipamento, conforme demonstrado em trabalho prévio8. Dessa forma, o sistema de alinhamento Sistema automático de alinhamento para avaliação do ponto focal no centro do campo de equipamentos mamográficos apresentado, juntamente com uma câmara de fenda para obtenção da imagem da projeção do ponto focal, compõem um sistema completo de avaliação da resolução espacial de equipamentos mamográficos utilizando um procedimento mais simples e rápido do que os convencionais. Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer à FAPESP pelo apoio financeiro. 3. 4. 5. 6. 7. Referências 1. Hendee WR, Chaney EL, Rossi RP. Radiologic Physics, Equipament and Quality Control. Chicago: Year Book Medical Publishers; 1997. 2. Brasil. Ministério da Saúde. Secretária de Vigilância Sanitária. 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Determinação da função de transferência de equipamentos mamográficos em qualquer posição do campo utilizando sensor CCD odontológico. In: XXI Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica; 2008. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):37-41. 41 Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):43-7. Avaliação do ponto focal e da função de transferência de modulação de equipamentos mamográficos sem necessidade de alinhamento com o feixe central Evaluation of the focal spot and MTF of mammographic equipment without alignment with the central beam Paulo D. Oliveira Jr., Marcelo A. C. Vieira e Homero Schiabel Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC/SP) – São Carlos (SP), Brasil Resumo A qualidade de uma imagem mamográfica é diretamente afetada pelo tamanho do ponto focal e por isso sua medida é muito importante em avaliações periódicas de qualidade. A função de transferência de modulação (MTF) é amplamente reconhecida como o melhor descritor para a avaliação da resolução espacial de equipamentos radiológicos. No entanto, para obtenção da medida do ponto focal e da MTF existem várias técnicas e procedimentos considerados experimentalmente complexos, tendo como requisito principal a precisão no alinhamento e a exposição direta ao filme, tornando-se a medida mais difícil, consumindo um maior tempo prático e algumas vezes com baixa precisão. A proposta desse trabalho é apresentar uma nova metodologia para obter a MTF e as medidas do ponto focal a partir de duas projeções do ponto focal, em qualquer região do campo, obtidas utilizando uma câmara de orifício e um sensor CCD de raios X intra-oral. Assim essa metodologia pode permitir que essas medidas em procedimentos de controle de qualidade sejam mais fáceis e rápidas, sem necessidade de alinhamento prévio. Palavras-chave: Função de transferência de modulação, controle de qualidade, ponto focal Abstract The image quality of a mammographic system is directly affected by the size of the focal spot and its measurement is very important for quality assurance evaluations. Modulation Transfer Function (MTF) is widely recognized as the best descriptor for spatial resolution evaluation of radiological equipment. However, focal spot size and MTF measurements have several complex technical procedures, such as the requirement of precise alignment and direct-exposure film, which have been making such measurements more difficult and time-consuming and besides sometimes less accurate. The purpose of this work is to present a new methodology to perform MTF and focal spot measurements from two focal spot projections at any position over the field acquired by using a pinhole camera and a CCD intraoral X-ray imaging device. Thus, it can allow those measurements in quality control procedures to be easier and faster, with no need of previous alignment. Keywords: Modulation transfer function, quality control, focal spot. Introdução O controle de qualidade em sistemas de imagem mamográfica é de fundamental importância para se garantir que as imagens apresentem as características necessárias para o diagnóstico médico preciso. Nesse sentido, diversos parâmetros são considerados na literatura como bons descritores da qualidade da imagem. De acordo com o ICRU report #541 (International Commission on Radiation Units), três parâmetros físicos são importantes para avaliação de um sistema de imagem radiográfica: a resolução espacial, o contraste e o ruído. O tamanho do ponto focal é considerado a característica mais importante do tubo de raios X que está diretamente relacionada com a resolução espacial1-2. Aliado a isso, a Função de transferência de modulação (MTF) é considerada o melhor parâmetro para avaliar as propriedades de resolução espacial de um sistema de imagens radiográfica1-3, principalmente para mamografia, na qual a resolução espacial é extremamente importante para detectar pequenas lesões relacionadas ao câncer de mama4. No entanto, na avaliação do tamanho do ponto focal e da MTF é notória a dificuldade em todo o procedimento, Correspondência: Paulo Domingues de Oliveira Junior – Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo – Avenida Trabalhador São-carlense, 400 – Centro – CEP: 13566-590 - Sao Carlos (SP), Brasil. Telefone: (16) 33739353 Fax: (16) 33739372 – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 43 Oliveira Jr. PD, Vieira MAC, Schiabel H não somente devido ao aparato experimental necessário, como também em função do tempo demandado para cumprir todas as etapas do processo5-7. A necessidade de se garantir algumas propriedades, aliadas a complexidade prática e dos equipamentos necessários, tornaram o método inadequado para aplicação nas rotinas de controle de qualidade da grande maioria dos centros radiológicos existentes no pais5-8. Assim, o presente trabalho propõe um sistema computacional para permitir a medida do ponto focal e a aplicação prática do método das funções de transferência na avaliação de equipamentos mamográficos. Para isso, foi desenvolvida uma metodologia que é capaz de determinar o tamanho do ponto focal e a MTF no centro do campo, a partir de duas imagens da projeção do ponto focal em uma região qualquer do campo, obtidas com um sensor intra-oral CCD e uma câmara de orifício, sem alinhamento prévio. Dessa forma, o uso dessa metodologia pode Figura 1. Mesa de suporte desenvolvido para obtenção da imagem da projeção do ponto focal em qualquer região do campo com um pinhole e uma placa CCD. economizar uma grande parte do tempo utilizado em rotinas de controle de qualidade, além de permitir que algumas das etapas convencionais para levantamento da MTF sejam eliminadas do processo, contribuindo, portanto, para melhorar a qualidade da imagem mamográfica. Material e métodos Foi construída uma mesa suporte para o posicionamento da câmara de orifício (pinhole) e do sensor CCD no campo de radiação (Figura 1). Essa mesa garante que o pinhole e o sensor fiquem perfeitamente alinhados e paralelos entre si. Além disso, a distância entre eles pode ser variada utilizando os cilindros móveis de suporte e, dessa forma, pode-se alterar a magnificação sem comprometer o alinhamento e o paralelismo. A placa CCD utilizada é da marca Gendex, modelo Visualix eHD. A placa é de aquisição direta via porta USB, possui dimensão de 37,5 x 25,5 mm e 4096 níveis de cinza (12 bits). As imagens possuem matriz de pixel de 1590 x 1024 com resolução espacial (tamanho do pixel) de 19,5 µm. Ao se posicionar a mesa de suporte em uma região desconhecida do campo, o primeiro procedimento a ser realizado é a determinação de sua posição em relação ao feixe central e a magnificação radiográfica utilizada. Isso é possível obtendo uma imagem digital de um dispositivo de verificação de alinhamento (DVA) da Nuclear Associates (Cardinal Health, Cleveland, EUA) pertencente ao kit de avaliação de ponto focal modelo Multipurpose Focal Spot/ HVL Test Stand 07-622. Esse dispositivo é composto por uma peça cilíndrica de acrílico que em seu interior contém cinco esferas de tungstênio. A disposição das esferas é ilustrada na Figura 2. A magnificação m pode ser medida através da relação entre a distância real (dr), entre as quatro esferas inferiores, do dispositivo de alinhamento e a distancia de suas projeções obtidas com a imagem digital (di). Pelo fato da esfera central do dispositivo não estar no mesmo plano que as outras quatro esferas (estão separadas por uma altura de 12 mm), existe a necessidade de se calcular a magnificação radiográfica referente a essa esfera, que é ligeiramente diferente da calculada considerando as quatro esferas inferiores. Essa magnificação, expressa como m’, pode ser calculada a partir da Equação 1: m' = Figura 2. Dispositivo de verificação de alinhamento (DVA). Quando posicionado no centro do campo, a imagem desse dispositivo mostra a esfera central exatamente no centro do quadrado formado pelas outras quatro esferas inferiores. 44 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):43-7. m ⎡ h ⋅ ( m − 1) ⎤ 1− ⎢ ⎣ DOI ⎥⎦ (1) onde m é a magnificação radiográfica calculada, h referese à altura do dispositivo (12mm) e DOI expressa a distância do objeto ao plano imagem. A localização do sensor CCD (e de todo o conjunto) no campo de radiação, em relação ao raio central do feixe, pode ser calculada a partir da imagem obtida com o Avaliação do ponto focal e da função de transferência de modulação de equipamentos mamográficos sem necessidade de alinhamento com o feixe central dispositivo de alinhamento. A posição da esfera central, na imagem, em relação às outras quatro esferas inferiores depende da posição, em relação ao raio central do feixe, que o dispositivo foi posicionado. A Figura 3 ilustra a geometria de exposição no processo de formação da imagem do DVA. O esquema da Figura 3 representa a disposição geométrica de todos os parâmetros necessários para o cálculo da distância Un do dispositivo ao centro do campo. As medidas representadas por (dr) e (h) são referentes ao DVA (3 e 12 mm respectivamente). As distâncias d1 e d2 representam a distância, na imagem radiográfica obtida com a placa CCD, da esfera central em relação as suas esferas adjacentes. As distâncias d1 e d2 podem ser aferidas na imagem projetada do dispositivo a partir da detecção do centro das esferas e do cálculo da distância (em pixels) entre elas na imagem digital. Multiplicando-se a distância em pixels pelo tamanho do pixel do sensor (19,5 µm), é possível determinar d1 e d2. Nesse trabalho cada uma das distâncias foram calculadas considerando o centro das funções de espalhamento de linha (LSF de Line Spread Function) de cada imagem da esfera, determinada pelo método da largura à meia altura (FWHM). Assim, obtendo todas essas informações anteriores é possível determinar a distância Un que o sistema de medida está do raio central do feixe, utilizando a Equação 2: ⎛ m ⋅ dr ⎞ ⎝ 2 ⎠ m '− m d2 − Un = Figura 3. Demonstração do cálculo geométrico proposto para aferir o desalinhamento do conjunto (mesa, pinhole e sensor) em relação ao eixo central do campo. (2) De acordo com as equações de geometria de exposição e característica de campo9 é possível calcular a dimensão das projeções do ponto focal em qualquer posição ao longo do campo, a partir da medida da projeção no centro e do ângulo de inclinação do anodo. Baseado nessas equações, esse trabalho propõe uma metodologia inversa em que a dimensão do ponto focal no centro do campo é obtida a partir de duas projeções obtidas em qualquer outra posição do campo. Essa posição é previamente determinada a partir da imagem do DVA e utilizando a Equação 2. Para aplicações práticas do método proposto, foi necessário o desenvolvimento de um dispositivo para permitir a obtenção da imagem de duas projeções do ponto focal com o pinhole. Assim, foi criada uma peça em alumínio recoberta por chumbo (Pb), o qual possui dimensões similares ao do DVA. Essa peça permite o encaixe de um pinhole da Nuclear Associates, modelo pinhole assembly 07-617, em diversas posições, de modo a projetar mais de uma imagem do ponto focal em locais distintos e conhecidos do campo. O pinhole utilizado possui um diâmetro de (75 ± 0,5) µm. A partir da obtenção com o pinhole de, pelo menos, duas projeções do ponto focal ao longo da mesma Figura 4. Dispositivo criado para obtenção das projeções do ponto focal em áreas diferentes do campo. Figura 5. Esboço das projeções do ponto focal (a1 e a2) obtidas com o pinhole utilizando a peça mostrada na figura 4. direção no campo (a1 e a2), pode-se calcular a dimensão do ponto focal no centro do campo (a), como demonstra a figura 5. O tamanho a1 refere-se à medida da projeção do ponto focal obtida quando o pinhole é conectado no orifício central da peça desenvolvida (Figura 4). O tamanho Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):43-7. 45 Oliveira Jr. PD, Vieira MAC, Schiabel H Tabela 1. Resultados para o tamanho do ponto focal e o primeiro mínimo da MTF obtidos a partir do método proposto sem alinhamento* e utilizando a metodologia convencional com a alinhamento com o feixe central**. Equipamento Tamanho do ponto focal (mm) (*) 0,69±0,008 0,32±0,006 0,54±0,007 0,15±0,006 0,48±0,007 0,33±0,007 Orientação Paral Perp Paral Perp Paral Perp 1 2 1,0 1,0 0,8 0,8 0,6 0,4 0,2 0,2 -0,4 -0,2 0,0 0,2 Distância (mm) 0,0 0,0 0,4 1º Mínimo da MTF (**) 1,48 2,86 1,75 7,14 2,03 2,94 Desvio Médio (%) Desvio (%) 3,14 5,75 3,71 6,77 1,99 1,64 3,83 0,6 0,4 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Frequência espacial (Ciclos/mm) Figura 6. Comparação entre a LSF calculada pelo método proposto (•) e a LSF obtida experimentalmente no centro do campo () para o equipamento 1. Figura 7. Comparação entre a MTF calculada pelo método proposto (•) e a MTF obtida experimentalmente no centro do campo () para o equipamento 1. a2 refere-se à projeção do ponto focal obtida com o pinhole conectado no orifício que está a 10 mm do centro (Figura 4). Un expressa a distância que a1 está do centro do campo, calculada previamente pela Equação 2, e Un2 é dado pela soma Un + (10 mm x m), onde m é a magnificação calculada anteriormente. A dimensão da projeção do ponto focal (a) no centro do campo (em linhas pontilhadas na Figura 5) pode ser calculado a partir da imagem das duas projeções, obtidas em uma posição qualquer (portanto, sem a necessidade de um alinhamento prévio com o feixe central) utilizando a Equação 3. utilizando o algoritmo proposto, de forma mais simples e rápida, obtendo-se assim uma avaliação completa da resolução espacial do sistema de imagem radiográfica. a= a1 ⋅ Un2 − a2 ⋅ Un Un2 − Un (3) A LSF no centro do campo pode ser calculada utilizando um fator de escala obtido pela relação entre as dimensões do ponto focal calculado no centro do campo (a) e em outra posição (a1 ou a2). Assim, a MTF do equipamento mamográfico é determinada aplicando a transformada discreta de Fourier à LSF. Pode-se, dessa forma, simular computacionalmente o tamanho do ponto focal no centro e sua MTF no centro do campo. Com isso, pode-se aplicar o método das funções de transferência aos equipamentos mamográficos 46 Tamanho do ponto focal (mm) (**) 0,67±0,058 0,34±0,057 0,56±0,058 0,14±0,057 0,49±0,058 0,33±0,057 MTF LSF 3 1º Mínimo da MTF (*) 1,43 3,03 1,82 6,38 2,07 3,04 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):43-7. Resultados Foram utilizados três equipamentos mamográficos para a validação da metodologia proposta: um Lorad MIII (Equipamento 1), um Philips MD4000 (Equipamento 2) e um GE DMR Senographe (Equipamento 3). Para cada um dos equipamentos foram levantadas as medidas do ponto focal nas duas direções (paralela e perpendicular ao eixo catodo-anodo) e as respectivas MTF. A Tabela 1 permite visualizar os resultados obtidos pela nova metodologia proposta nesse trabalho (*), comparadas com as medidas obtidas pelo método regular de análise do ponto focal e da MTF, com a imagem da projeção do ponto focal obtida alinhando-se previamente todo o sistema com o centro do campo (**). As Figuras 6 e 7 comparam graficamente a LSF e a MTF, respectivamente, calculadas para o equipamento 1 utilizando os dois métodos: o método proposto nesse trabalho, sem alinhamento (•) e o método experimental convencional, com alinhamento prévio (). Avaliação do ponto focal e da função de transferência de modulação de equipamentos mamográficos sem necessidade de alinhamento com o feixe central Discussão e conclusões Agradecimentos Os resultados obtidos com o método proposto confirmam a possibilidade de se efetuar a avaliação de qualidade de unidades mamográficas calculando as dimensões do ponto focal e também utilizando o método das funções de transferência. A proposta mostra um procedimento prático, simples e rápido, no qual os parâmetros são determinados a partir da obtenção de apenas duas imagens da projeção do ponto focal em qualquer região do campo, sem a necessidade de um alinhamento prévio. Trabalhos anteriores que utilizaram placas CCD odontológicas para realizar medidas das dimensões do ponto focal alcançaram resultados muito satisfatórios7. A vantagem na utilização de dispositivos de aquisição direta de imagens radiográficas é a possibilidade de eliminar várias tarefas complexas do procedimento convencional de avaliação: a revelação de filmes, varredura densitométrica, conversão de densidades ópticas em unidades de exposição (linearização), reduzindo significativamente o tempo consumido nessa tarefa. Assim, a metodologia proposta nesse trabalho pode proporcionar uma análise completa da qualidade do equipamento mamográfico em termos da resolução espacial através de um processo ágil e simples, tornando possível a aplicação das rotinas de controle de qualidade em mais centros de diagnóstico por imagem. Os autores gostariam de agradecer à FAPESP pelo apoio financeiro. Referências 1. ICRU: International Commission on Radiation Units and Measurements. ICRU Report 54: Medical imaging: the assessment of image quality, 2005. 2. Barret HH, Swindell W. Radiological imaging: the theory of image formation, detection and processing. London: Academic Press; 1981. 3. Samei E, Ranger NT, Dobbins JT 3rd, Chen Y. Intercomparison of methods for image quality characterization. I. Modulation transfer function. Med Phys. 2006;33(5):1454-65. 4. Kratzat M. Evaluating the importance of focal spot sizes in mammography. Medicamundi. 1988;33:74-80. 5. Vieira MAC, Schiabel H, Escarpinati MC. Using a film scanner as a microdensitometer for optical transfer function and focal spot measurements In: SPIE MI2003: Physics of Medical Imaging, 2003;5030:1061-7. 6. Carton AK, Vandenbroucke D, Struye L, Maidment AD, Kao YH, Albert M et al. Validation of MTF measurement for digital mammography quality control. Med Phys. 2005;32(6):1684-11. 7. Rong XJ, Krugh KT, Shepard SJ, Geiser WR. Measurement of focal spot size with slit camera using computed radiography and flat-panel based digital detectors. Med Phys. 2003;30(7):1768-7. 8. National Electrical Manufacturers Association (NEMA). Standards Publication XR 5. Measurement of dimensions and properties of focal spots of diagnostic x-ray tubes. Washington, DC: NEMA; 1992. 9. Doi K. Field characteristics of geometric unsharpness due to X-ray tube focal spot. Med Phys. 1977;4(1):15-5. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):43-7. 47 Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):49-51. Bobinas de RF Transmissoras/Receptoras com desacoplamento passivo para experimentos de imagens por RMN em pequenos animais RF Transmitter/Receiver Coils with passive decoupling for MRI experiments on small animals Daniel Papoti, Edson L.G. Vidoto, Mateus J. Martins, Alberto Tannús Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC/USP) – São Carlos (SP), Brasil Resumo Este estudo descreve o desenvolvimento e caracterização de bobinas transmissoras e receptoras de radiofreqüência (RF) especificas para a realização de experimentos de Imagens por Ressonância Magnética Nuclear (IRMN) em pequenos animais. As geometrias de bobinas transmissoras estudadas foram os ressoadores tipo gaiola (Birdcage coil) com 8 e 16 elementos condutores e a bobina tipo Sela Duplamente Cruzada (Double Crossed Saddle - DCS), onde o Birdcage-16 se mostrou superior na produção de campo magnético homogêneo. Na recepção, a geometria construída foi uma bobina de superfície do tipo Loop específica para a obtenção de imagens do córtex de ratos. Palavras-chave: Imagens por RMN, Bobinas de RF, Desacoplamento passivo, instrumentação. Abstract This study describes the development and characterization of RF transmitters and receivers coils specific designed to MRI experiments on small animals. The geometries of the transmitter coils studied were the Birdcage with 8 and 16 legs and the Double Crossed Saddle (DCS Coils). Among these geometries, the Birdcage-16 is superior in producing homogeneous magnetic field. In reception, the geometry built was a surface coil specific to obtain cortex images from mice. Keywords: Magnetic Resonance Imaging, RF Coils, Passive Decoupling, instrumentation. Introdução Em experimentos de IRMN, normalmente diferentes geometrias de bobinas de RF são utilizadas para a transmissão e recepção do sinal de RF. Isso ocorre devido à necessidade de se obter máxima Relação Sinal Ruído (RSR) durante cada experimento, de modo que em experimentos envolvendo animais onde as dimensões envolvidas são bem menores do que em humanos, essa necessidade se torna ainda mais crítica. Dessa forma, o desenvolvimento de diferentes geometrias de bobinas de RF para operar como transmissoras e receptoras são fundamentais. Durante o processo de transmissão da RF, a principal característica de uma bobina transmissora é a capacidade de produzir um campo magnético com alta homogeneidade dentro de uma dada região de Interesse (RI). As geometrias que satisfazem muito bem esta condição são os ressoadores do tipo Birdcage1 e também as bobinas do tipo sela2. Além de alta homogeneidade de campo, as bobinas transmissoras devem funcionar apenas durante a fase de transmissão da RF, estando desativadas durante o processo de recepção do sinal. Isso pode ser feito de forma ativa, utilizando-se diodos PIN ou de forma passiva, utilizando neste caso, pares de diodos cruzados ao longo da estrutura da bobina. No processo de recepção do sinal, a principal característica das bobinas deve ser a alta sensibilidade ao sinal produzido pela amostra, ou seja, deve possuir uma alta RSR. Neste caso, as geometrias de bobinas variam de acordo com a anatomia de interesse, de modo que para estruturas próximas a superfície, é comum a utilização das chamadas bobinas de superfície (surface coils), que são basicamente loops construídos em placas de circuito impresso ou mesmo de fios condutores com algumas voltas, com dimensões próximas as dimensões estudadas e sintonizadas na freqüência de interesse. Também se torna necessário o desacoplamento das bobinas receptoras, mas neste caso durante o processo de Correspondência: Daniel Papoti – Grupo de Ressonância Magnética-Instituto de Física de São Carlos-USP – Avenida Trabalhador São Carlense, 400 – Caixa Postal, 369 – São Carlos (SP), Brasil – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 49 Papoti D, Vidoto ELG, Martins MJ, Tannús A transmissão da RF. Isso é feito utilizando-se um circuito ressonante em paralelo com a bobina e sintonizado na mesma freqüência de operação que é acionado apenas durante o processo de transmissão. O acionamento deste circuito também pode ser feito com diodos PIN (desacoplamento ativo) ou utilizando um par de diodos cruzados (desacoplamento passivo3). Neste trabalho descrevemos o desenvolvimento e caracterização de três geometrias de bobinas transmissoras e de uma bobina de superfície, ambas com desacoplamento passivo durante a transmissão e recepção. Material e métodos Três geometrias de bobinas transmissoras de RF foram contruídas, sendo um Birdcage com 8 condutores, um Birdcage com 16 condutores e uma DCS Coil. Todas as bobinas foram construídas utilizando-se fitas de cobre de 0.3 mm de espessura como condutores, montados sobre estruturas de PVC com 200 mm de comprimento e 100 mm de diâmetro. O mapa de campo de RF das bobinas foi medido experimentalmente ponto a ponto utilizando uma bobina de pick-up feita de cabo coaxial RG223 terminada em 50 Ω para casamento de impedância e comparado com o perfil de campo gerado através de simulações baseadas na Lei de Biot-Savart. Outro método utilizado para avaliação da homogeneidade de campo foi através de experimentos de imagens, conhecido como Compensated Double Angle Method (CDAM4), também comparado com os mapas de campo gerados através de simulações. O parâmetro utilizado para quantificar a homogeneidade das bobinas foi a Não Uniformidade (NU) dentro de uma RI de 80% do diâmetro interno das bobinas, dada por: NU = Desvio Padrão . Média (1) Para o desacoplamento das bobinas durante a recepção foram utilizando pares de diodos cruzados em série com a bobina. A bobina utilizada como receptora foi construída utilizando-se fio de cobre com 1.6 mm de diâmetro, sendo um loop com duas voltas com diâmetro de 20 mm. Essas são as dimensões necessárias para experimentos de IRMN do córtex de ratos. O desacoplamento durante a recepção foi feito utilizando-se diodos em serie com o circuito ressonante, permitindo assim o desacoplamento da bobina durante a fase de transmissão. Para a medida da RSR da bobina, um phantom esférico de 36 mm de diâmetro preenchido com solução de água e sulfato de cobre com concentração de 5 mM foi utilizado. Imagens “in vivo” com grande campo de visão (FOVField of View) foram obtidas com as bobinas transmissoras, operando como transmissoras e receptoras simultaneamente, para analise de artefatos relacionados a não homogeneidade de campo. Também foram obtidas imagens “in vivo” da bobina DCS como transmissora e da bobina de superfície como receptora para análise da RSR e da eficiência no desacoplamento passivo das bobinas. Resultados Figura 1. Mapas de campo de RF teóricos e experimentais para (a) Birdcage-8. (b) Birdcage-16. (c) DCS Coil. A figura 1 mostra os mapas de campo de RF teóricos e os obtidos experimentalmente. Como podemos observar de acordo com a figura 1 e tabela 1, o Birdcage-16 é a melhor bobina em termos de homogeneidade de campo magnético de RF. As imagens “in vivo” obtidas com grande FOV de ratos (ver figura 2) confirmam essa superioridade, uma vez que não foram observados artefatos devido a não homogeneidade de campo magnético. Os resultados obtidos com a bobina de superfície mostram uma baixa RSR (RSR=46). Imagens in vivo obtidas com essa bobina confirmam a baixa eficiência na recepção desta bobina, como mostra a figura 3. Tabela 1. Valores da NU obtidos para as bobinas transmissoras Bobina Birdcage-8 Birdcage-16 DCS Coil 50 Teórico 10.98 1.18 5.92 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):49-51. Experimental 18.24 4.02 9.01 Discussão e conclusões Os resultados obtidos com as bobinas transmissoras indicam que o Birdcage-16 é o mais eficiente em termos de Bobinas de RF Transmissoras/Receptoras com desacoplamento passivo para experimentos de imagens por RMN em pequenos animais Figura 2. Imagens in vivo de rato com FOV=10 cm x 10 cm obtidas utilizando o Birdcage-16. homogeneidade de campo, sendo, portanto, o mais indicado para operar como bobina transmissora dentre a geometrias estudadas. No entanto o elevado número de capacitores em sua estrutura torna mais difícil o desacoplamento passivo utilizando diodos cruzados. Isso faz com que a bobinas DCS seja uma boa opção, uma vez que esta é a segunda melhor em termos de homogeneidade de campo e possui poucos capacitores ao longo de sua estrutura. Já os resultados obtidos com a bobina de superfície sugerem uma melhora na RSR. Isso pode ser obtido através do aumento da indutância da bobina através do aumento no número de voltas, o que aumentaria o seu fator de qualidade e conseqüentemente sua RSR. (a) (b) Figura 3. Imagens obtidas com a bobina de superfície (a) de um Phantom esférico. (b) In vivo da cabeça de um rato Referências 1. Hayes CE, Edelstein WA, Schenck JF, Mueller OM, Eash M. An Efficient, Highly Homogeneous Radiofrequency Coil for Wholy – Body NMR at 1.5 T. Journal of Magnetic Resonance, 1985;63(63):622-8. 2. Papoti D, Vidoto ELG, Martins MJ, Tannús A. Efeitos de cruzamentos nos condutores de uma bobina tipo Sela: comprimento elétrico X indutância mútua. Apresentado no XI Congresso Brasileiro de Física Médica, Ribeirão Preto, 2006. 3. Edelstein WA, Hardy CJ, Mueller OM. Electronic Decoupling of surfaceCoils Receivers for NMR Imaging and Spectroscopy. Journal of Magnetic Resonance. 1986;67:156-61. 4. Stollberger R, Wach P. Imaging of the Active B1 Field in Vivo. Magnetic Resonance in Medicine, 1996;35(2):246-51. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):49-51. 51 Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):53-7. Parâmetros de irradiação influenciam na inativação de leveduras tratadas com terapia fotodinâmica Light parameters influence antifungal photodynamic therapy Renato A. Prates1, Eriques G. da Silva2, Luis C. Suzuki1, Claudete R. Paula2 e Martha S. Ribeiro1 Centro de Lasers e Aplicações do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares da Comissão Nacional de Energia Nuclear (IPEN/CNEN) – São Paulo (SP), Brasil 2 Departamento de Microbiologia do Instituto de Ciências Biológicas da Universidade de São Paulo (ICB/USP) – São Paulo (SP), Brasil 1 Resumo O objetivo deste estudo foi investigar a influência dos parâmetros de irradiação na terapia fotodinâmica em leveduras. Tem sido proposto na literatura que a terapia fotodinâmica (PDT) pode matar células microbianas e, um grande número de fotossensibilizadores e fontes de irradiação são reportados, em diferentes parâmetros e em diversas concentrações do corante. Entretanto, para que os processos fotodinâmicos sejam entendidos, mais conhecimento sobre a importância da taxa de fluência, fluência e tempo de irradiação são necessários. Para isso, suspensões de Candida albicans, Candida krusei e Cryptococcus neoformans foram usadas. Duas taxas de fluência, 100 e 300mW/cm² foram comparadas em 3, 6 e 9 min. de irradiação, que resultaram em fluências de 0 a 162J/cm². A fonte de irradiação utilizada foi um laser emitindo em λ=660nm com potência ajustada em 30 e 90mW. Azul de metileno na concentração de 100µM foi utilizado como fotossensibilizador. Como resultado, observamos que a mesma fluência entregue em irradiações diferentes, gerou diferentes níveis de inativação fúngica. Além disso, maior taxa de fluência mostrou um aumento da inativação das leveduras. A PDT foi efetiva e apresentou aproximadamente 6 logs de morte celular. Por outro lado, nem o fotossensibilizador ou a irradiação separadamente promoveram morte celular. Em conclusão, o tempo de irradiação e intensidade tem um papel importante na eficiência da PDT. A fluência não deve ser utilizada como parâmetro único para comparação dos resultados de fotoinativação de leveduras. Palavras-chave: fotoinativação antimicrobiana, Candida albicans, Candida krusei, Cryptococcus neoformans, azul de metileno, fotossensibilizador, laser vermelho. Abstract The aim of this study was to investigate the influence of light parameters on yeast cells. It has been proposed for many years that photodynamic therapy (PDT) can inactivate microbial cells. A number of photosensitizer and light sources are reported in different light parameters and in a range of dye concentrations. However, much more knowledge concerning the importance of fluence, fluence rate and exposure time are required for a better understanding of the photodynamic efficiency. For this purpose suspensions of Candida albicans, Candida krusei and Cryptococcus neoformans var. grubii were used. Two fluence rates, 100 and 300mW/cm² were compared at 3, 6 and 9 min. of irradiation, resulting fluences from 0 to 162J/cm². The light source used was a laser emitting at λ=660nm with output power adjusted at 30 and 90mW. As photosensitizer, one hundred-µM methylene blue was used. The same fluence in different fluence rates showed dissimilar levels of inactivation on yeast cells. In addition, the increase of the fluence rate showed an improvement on cell photoinactivation. PDT was efficient against yeast cells (6 log reduction), however, neither photosensitizer nor light alone presented any reduction in the cell viability. Fluence and fluence rate play a pivotal role in the PDT efficiency. Fluence per se should not be used as an isolated parameter to compare photoinactivation effects on yeast cells. Keywords: antimicrobial photoinactivation, Candida albicans, Candida krusei, Cryptococcus neoformans, methylene blue, photosensitizer, red laser. Introdução A incidência de infecções causadas por fungos apresentou considerável crescimento nos últimos vinte anos, devido ao aumento do uso de drogas antineoplásicas e imunossupressoras, antibióticos de largo espectro e implantação de dispositivos protéticos e enxertos. Pacientes queimados, com pancreatite, portadores de neutropenia Correspondência: Renato Araujo Prates – Centro de Lasers e Aplicações IPEN-CNEN/SP, Av. Prof. Lineu Prestes, 2242, Cidade Universitária, CEP: 05508-100 – São Paulo (SP), Brasil – E-mail: [email protected] – Telefone: (11) 3133-9255 ou (11) 3133-9197 Associação Brasileira de Física Médica® 53 Prates RA, Silva EG, Suzuki LC, Paula CR, Ribeiro MS ou AIDS também possuem uma maior predisposição para contrair infecções por fungos1,2. Dentre as infecções causadas por leveduras, a forma mais expressiva é a candidiase causada por C. albicans, que possui prevalência de 60% dentre os isolados clínicos provenientes de micoses. Outras espécies de Candida sp. apresentam menores prevalências, porém, possuem características distintas de patogenicidade, como a elevada resistência a antifúngicos demonstrada pela C. krusei3-5. Outra levedura patogênica que causa grande impacto na saúde dos pacientes imunodeficientes é representado por Cryptococcus sp., que acometem principalmente pacientes imunodeprimidos, podendo levar à morte por complicações respiratórias e/ ou neurológicas, se não tratadas adequadamente6-8. As infecções fúngicas geralmente requerem prolongada terapia antimicrobiana e estão associadas a seqüelas após tratamento e aumento no tempo de internação2. O uso indiscriminado de agentes antimicrobianos promove a seleção natural de cepas microbianas resistentes e deixa uma franca oportunidade para recombinação genética dos fatores de resistência e mutação. Por isso, a busca por alternativas para o tratamento de infecções é de extrema importância. A terapia fotodinâmica, do inglês photodynamic therapy (PDT), é uma forma de fototerapia baseada na utilização de substâncias com propriedades fotossensibilizadoras nos tecidos biológicos e ativação destas pela presença da luz. As células consideradas alvo são coradas com o fotossensibilizador e irradiadas com luz. Após a irradiação, a molécula do fotossensibilizador passa para um estado excitado, e ao voltar para o estado mais estável, transfere esta energia para o sistema propiciando um efeito fotoquímico que normalmente leva à morte celular9. Isoladamente, nem a droga nem a luz tem a capacidade de produzir o efeito deletério ao sistema biológico testado10. O corante azul de metileno (AM), pertencente à família das fenotiazinas, é um fotossensibilizador bem estabelecido na literatura. Esta molécula provou sua efetividade em uma série de estudos sobre fotoinativação microbiana5,11,12. Possui duas bandas principais de absorção na região visível do espectro eletromagnético, uma referente ao componente monomérico (Amax=664nm); e outra da sua forma dimerizada (Amax=608nm)13. Após a irradiação do corante, a formação de espécies reativas de oxigênio (EROS) leva à morte das células através da ação oxidativa de componentes lipídicos das membranas lipoproteicas 14. No entanto, esta não é a Tabela 1. Parâmetros de irradiação utilizadas nos grupos PDT (L+FS+) durante o experimento Potência (mW) Taxa de fluência (mW/cm2) Tempo de exposição (min.); Fluência (J/cm2) 54 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):53-7. 30 100 0; 0 3; 18 6; 36 9; 54 90 300 0; 0 3; 54 6; 108 9; 162 única nem a principal via de morte celular. Sinais de dano são emitidos e sensibilizam receptores, principalmente na membrana externa da mitocôndria, que inicia o processo de falência metabólica celular. São gerados estímulos para aglutinação de citoplasma, bem como condensação de cromatina que podem ser observadas como resultado final de EROS geradas pela terapia fotodinâmica15. A PDT mostra grande atividade antimicrobiana com amplo espectro de atuação sobre bactérias9,16 e fungos17,18, bem como em células eucariontes nas fototerapias anti-neoplasicas19. Toda esta toxicidade é atribuída à geração de grandes quantidades de EROS20, que superam o limite de defesa das células e iniciam os mais diversos mecanismos de morte celular. Os estudos acerca de fotossensibilizadores desenvolveram-se muito nas últimas 2 décadas, no entanto, os parâmetros de irradiação, como potência, taxa de fluência, tempo de irradiação e fluência, necessitam de mais estudos. Os fungos, em especial as leveduras, são microrganismos amplamente utilizados para o estudo sobre mecanismos de ação de diversas terapias e apresentam-se como um bom modelo para avaliação e comparação de efeitos fotodinâmicos. Em geral, os parâmetros de irradiação para inativar fungos são maiores que os necessários para matar bactérias. Isso possibilita uma melhor avaliação dos efeitos sub-letais da PDT. O objetivo deste trabalho é avaliar o papel dos parâmetros de irradiação na inativação de leveduras patogênicas. Material e métodos Para este estudo, foram selecionadas três espécies distintas de fungos. As leveduras foram cultivadas aerobicamente em agar Sabouraud Dextrose e incubadas a 37°C por 24h para Candida albicans (ATCC90028) e Candida krusei (ATCC6258); e 30°C por 48h para Cryptococcus neoformans (ATCC90112). Parâmetros de irradiação Foi utilizado um laser de GaAlAs (Photon Lase III, DMC, São Carlos, Brasil) com comprimento de onda de emissão em λ=660nm. As amostras foram irradiadas de cima para baixo em uma placa de microtitulaçao de 96 poços, onde o feixe laser foi ajustado com o diâmetro de 0,3 cm2. O equipamento foi ajustado com potências em 30 e 90mW, que resultou em taxas de fluência de 100 e 300 mW/cm2. Amostras foram colhidas nos tempos de 0 a 9 min., e fluências de 0 a 162J/cm2 (tabela 1). A fluência de 54J/cm2 coincidiu nos dois regimes de irradiação utilizados e os resultados em morte microbiana foram então comparados entre si. O grupo controle (L-FS-) não recebeu qualquer tratamento com laser ou fotossensibilizador. No grupo laser (L+FS-), a suspensão de leveduras foi irradiada na ausência do fotossensibilizador por 9 min. sob taxa de Parâmetros de irradiação influenciam na inativação de leveduras tratadas com terapia fotodinâmica fluência de 300 mW/cm², o que resultou em uma fluência de 162J/cm². Para os testes de toxicidade no escuro (LFS+), a suspensão de leveduras foi corada por 10 min. com AM 100μM em contato com as células. Nos grupos PDT (L+FS+), a suspensão de leveduras coradas com AM 100μM foi devidamente irradiada nos parâmetros mostrados na tabela 1. As ações das diferentes taxas de fluência, tempos de irradiação e fluências foram avaliadas, bem como seus efeitos sob as amostras de seu grupo PDT. Após passar pelos tratamentos propostos no estudo, as amostras foram diluídas de 10-1 a 10-5 vezes a concentração original. Então, alíquotas de 10μL de cada diluição foram estriadas, em triplicata, em uma placa de Petri contendo agar Sabouraud e, estas foram devidamente incubadas para formação de unidades formadoras de colônias5,11,21. As unidades formadoras de colônia foram contadas e todas as amostras foram submetidas à análise estatística utilizando-se teste de variância one-way (ANOVA). A comparação das médias foi realizada pelo teste de Tukey e a significância ajustada em 5%. Os trabalhos de PDT antimicrobiana têm mostrado avanços no estudo dos caminhos fotoquímicos e nas descobertas bioquímicas de morte celular. Entretanto, as circunstâncias e os parâmetros físicos de irradiação não Tabela 2. Médias ±DP dos grupos controle, irradiados com laser ou expostos ao AM na concentração de 100μM. C. neoformans C. albicans C. krusei L-PS6,78±0,20 6,41±0,22 5,80±0,05 UFC/mL (log10 ) L+PS6,77±0,01 6,25±0,22 5,64±0,07 L-PS+ 6,60±0,26 6,28±0,02 5,81±0,11 Resultados e discussão Nem a irradiação com o laser, nem o corante não irradiado na presença da suspensão de leveduras mostrou qualquer efeito deletério ao crescimento das diferentes espécies (tabela 2). De uma forma geral, as células submetidas à PDT mostraram que a taxa de fluência de 100mW/cm2 apresentou inativação moderada sobre as leveduras e os efeitos foram proporcionais ao tempo de irradiação. Além disso, estes efeitos letais aumentaram com o aumento da intensidade (fig. 1). As células de C. neoformans mostraram-se mais resistentes à inativação quando comparadas às espécies C. albicans e C. krusei (compare a irradiação por 6 min. em 300 mW/cm² na figura 1 A, B e C. Após 9 min. de irradiação, C. neoformans reduziu pouco mais de 1 log sob 100mW/cm², contra mais de 6 logs sob 300mW/cm² (fig. 1). As espécies C. albicans e C. krusei apresentaram comportamentos similares na resposta à PDT, diferindo em um leve aumento da susceptibilidade (3 logs) de C. albicans após 9 min. de irradiação a 100mW/cm², contra 1,5 logs de C. krusei. Além disso, sob 300 mW/cm² em 3 min., C. albicans apresentou 2 logs de redução contra apenas 1 log para C. krusei. Estas diferenças podem ser explicadas pela característica da C. krusei conseguir bombear moléculas tóxicas para fora da célula, utilizando bombas ativas de efluxo4. O mesmo pode ser observado quando da utilização das bombas transportadoras ABC. Isto pode ser visto em relação à família de antifúngicos azóis, que são ineficientes contra C. krusei devido ao seu pouco acúmulo no citoplasma3. Figura 1. Efeito do tempo de exposição na fração de sobrevivência de A) C. neoformans, B) C. albicans e C) C. krusei nas intensidades de 100 e 300 mW/cm². As barras de erro representam o desvio padrão. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):53-7. 55 Prates RA, Silva EG, Suzuki LC, Paula CR, Ribeiro MS Agradecimentos Os autores agradecem o financiamento deste trabalho ao Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (CNPq) e a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo. O primeiro autor agradece a bolsa de estudos do CNPq (No. 065633/2006-7). Referências Figura 2. Efeito da fluência de 54 J/cm² entregue sob intensidades de 100 mW/cm² (9 min.) e 300 mW/cm² (3 min.) na fração de sobrevivência de C. neoformans, C. albican, e C. krusei. As barras de erro representam o desvio padrão. são suficientemente reportados. A fluência é usada como o principal parâmetro para a comparação de grupos em trabalhos na literatura de PDT8. Em PDT, a lei de reciprocidade e considerada para análise e comparação de resultados obtidos experimentalmente22. Este princípio profere que, os efeitos biológicos decorrentes da irradiação dependem da fluência, independentemente do tempo de irradiação (conseqüentemente da taxa de fluência) sob o qual o sistema biológico foi irradiado. A consequência de seguir a lei da reciprocidade é uma valorização na importância da fluência, o que coloca em risco, a correta interpretação dos resultados em PDT. Na comparação dos efeitos de inativação microbiana na fluência de 54 J/cm², resultante de dois parâmetros distintos de irradiação (9 min.; 100 mW/cm²) e (3 min.; 300 mW/ cm²), foi possível observar que, mesmo sob uma taxa de fluência menor, o tempo de irradiação influenciou de forma significante os resultados de morte microbiana (fig. 2). O parâmetro de irradiação (54 J/cm²; 9 min.; 100 mW/ cm²) foi mais letal aos microrganismos, quando comparado a um tempo menor com taxa de fluência maior (54 J/cm²; 3 min.; 300 mW/cm²). Este comportamento foi similar para todos os microrganismos utilizados no experimento (fig. 2) e, demonstra que o tempo de irradiação deve ser levado em consideração na análise dos resultados de PDT. Conclusões A taxa de fluência deve ser considerada para aumentar a eficiência da PDT, que é maior em maiores taxas de fluência. Além disso, o tempo de irradiação também se apresenta como importante instrumento para melhorar os resultados de inativação microbiana. A fluência não deve ser utilizada como único parâmetro para comparar resultados de inativação fúngica em PDT. 56 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):53-7. 1. Eggimann P, Garbino J, Pittet D. Management of Candida species infections in critically ill patients. Lancet Infect Dis. 2003;3(12):772-85. 2. Donnelly RF, McCarron PA, Tunney MM. Antifungal photodynamic therapy. Microbiol Res. 2008;163(1):1-12. 3. Hazen KC. New and emerging yeast pathogens. Clin Microbiol Rev. 1995;8(4):462-78. 4. Orozco AS, Higginbotham LM, Hitchcock CA, Parkinson T, Falconer D, Ibrahim AS, et al. Mechanism of fluconazole resistance in Candida krusei. Antimicrob Agents Chemother. 1998;42(10):2645-9. 5. Prates RA, Silva EGd, YamadaJr. AM, Suzuki LC, Paula CR, Ribeiro MS. The irradiation parameters investigation of photodynamic therapy on yeast cells. In: Mechanisms for Low-Light Therapy III. 2008: SPIE. 6. Franzot SP, Salkin IF, Casadevall A. Cryptococcus neoformans var. grubii: separate varietal status for Cryptococcus neoformans serotype A isolates. J Clin Microbiol. 1999;37(3):838-40. 7. Casadevall A, Rosas AL, Nosanchuk JD. Melanin and virulence in Cryptococcus neoformans. Curr Opin Microbiol. 2000;3(4):354-8. 8. Fuchs BB, Tegos GP, Hamblin MR, Mylonakis E. Susceptibility of Cryptococcus neoformans to photodynamic inactivation is associated with cell wall integrity. Antimicrob Agents Chemother. 2007;51(8): 2929-36. 9. Prates RA, Yamada AM Jr, Suzuki LC, Eiko Hashimoto MC, Cai S, GouwSoares S, et al. Bactericidal effect of malachite green and red laser on Actinobacillus actinomycetemcomitans. J Photochem Photobiol B. 2007;86(1):70-6. 10. Wainwright M. Non-porphyrin photosensitizers in biomedicine. Chem Soc Rev. 1996;25(5):351-59. 11. Prates RA, Silva EG, Yamada-Jr. AM, Suzuki LC, Paula CR, Ribeiro MS. Light parameters influence cell viability in antifungal photodynamic therapy in a fluence and rate fluence-dependent manner. Laser Phys. 2009;19(5):1038-44. 12. de Souza SC, Junqueira JC, Balducci I, Koga-Ito CY, Munin E, Jorge AO. Photosensitization of different Candida species by low power laser light. J Photochem Photobiol B. 2006;83(1):34-8. 13. Usacheva MN, Teichert MC, Biel MA. The role of the methylene blue and toluidine blue monomers and dimers in the photoinactivation of bacteria. J Photochem Photobiol B. 2003;71(1-3):87-98. 14. Girotti AW. Photosensitized oxidation of membrane lipids: reaction pathways, cytotoxic effects, and cytoprotective mechanisms. J Photochem Photobiol B. 2001;63(1-3):103-13. 15. Bras M, Queenan B, Susin SA. Programmed cell death via mitochondria: different modes of dying. Biochemistry (Mosc). 2005;70(2):231-9. 16. Garcez AS, Ribeiro MS, Tegos GP, Núñez SC, Jorge AO, Hamblin MR. Antimicrobial photodynamic therapy combined with conventional endodontic treatment to eliminate root canal biofilm infection. Lasers Surg Med. 2007;39(1):59-66. 17. Monfrecola G, Procaccini EM, Bevilacqua M, Manco A, Calabro G, Santoianni P. In vitro effect of 5-aminolaevulinic acid plus visible light on Candida albicans. Photochem Photobiol Sci. 2004;3(5): 419-22. Parâmetros de irradiação influenciam na inativação de leveduras tratadas com terapia fotodinâmica 18. Lambrechts SA, Aalders MC, Van Marle J. Mechanistic study of the photodynamic inactivation of Candida albicans by a cationic porphyrin. Antimicrob Agents Chemother. 2005;49(5):2026-34. 19. Ackroyd R, Kelty C, Brown N, Reed M. The history of photodetection and photodynamic therapy. Photochem Photobiol. 2001;74(5): 656-69. 20. Konan YN, Gurny R, Allémann E. State of the art in the delivery of photosensitizers for photodynamic therapy. J Photochem Photobiol B. 2002;66(2):89-106. 21. Jett BD, Hatter KL, Huycke MM, Gilmore MS. Simplified agar plate method for quantifying viable bacteria. Biotechniques. 1997;23(4):648-50. 22. Schindl A, Rosado-Schlosser B, Trautinger F. [Reciprocity regulation in photobiology. An overview]. Hautarzt. 2001;52(9):779-85. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):53-7. 57 Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):59-62. Validação de Simulação de Monte Carlo para Estudo da Distribuição de Luz em Tecidos Biológicos Validation of Monte Carlo Simulation to Study the Distribution of Light in Biological Tissue André L. O. Ramos, Marcelo V. P. Sousa e Elisabeth M. Yoshimura Departamento de Física Nuclear do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP) – São Paulo (SP), Brasil Resumo O objetivo deste trabalho foi calcular a distribuição de luz em emulsão de gordura por Simulação de Monte Carlo, comparar com resultados experimentais para validar a simulação. Utilizou-se o software MCML 1.2.2-2000, para simular a distribuição de luz em camadas de Lipovenos® 10% (Lp), de várias espessuras, irradiadas por feixe de laser com comprimento de onda de 633 nm. Com os resultados, a distribuição de fluência de luz no fundo da amostra e o perfil de fluência de luz ao longo de uma linha distante 12 mm do feixe foram calculados. Os resultados mostram que a luz transmitida para o fundo da amostra tem uma distribuição gaussiana com larguras que aumentam linearmente com a espessura. Observou-se também que a fluência máxima de luz no fundo da amostra apresenta um comportamento de atenuação exponencial com a espessura. Para validar a simulação um experimento foi realizado, adquirindo imagens com uma câmera CCD da luz transmitida e da luz espalhada a 90º de uma cubeta de PMMA contendo quantidades diferentes de Lp, iluminadas verticalmente com laser de He-Ne. O resultado experimental mostrou, nas imagens da base da cubeta, que a intensidade máxima de luz transmitida decresce exponencialmente com a espessura da amostra, similar ao resultado da simulação. A variação das larguras de distribuição de intensidade de luz dos resultados da simulação e experimentais foi basicamente a mesma, com coeficientes angulares compatíveis, 0,85 mm/mm (simulação) e 0,82 mm/mm (experimental). O perfil de fluência de luz a 12 mm do plano de incidência é muito similar à curva experimental de intensidade de luz com a profundidade, cujo máximo ocorre em 6,1mm com coeficiente exponencial assintótico de 1,79 cm-1. Os resultados da simulação de Monte Carlo foram compatíveis com os resultados experimentais. Palavras-chave: Laser, simulação de Monte Carlo, emulsão de gordura, distribuição de luz. Abstract The goal of this work was to calculate light distribution in a fat emulsion by Monte Carlo Simulation, and to compare the calculation with experimental results to validate the simulation. We used the MCML1.2.2-2000 code to simulate light distribution in Lipovenos® 10% (Lp) layers with various thicknesses illuminated by a red laser beam. With the results, the light fluence distribution at the bottom of the layer and the profile of light fluence along a line distant 12 mm from the laser beam were calculated. The results show that the light transmitted to the bottom of the sample has a Gaussian distribution with widths that increase linearly with the liquid thickness. Also, the maximum light intensity transmitted across the sample has an exponential decay behavior with the thickness. To validate the simulation an experiment has been carried out, acquiring pictures with a CCD camera of the light transmitted and the light scattered at 90° from a PMMA cuvette containing different quantities of Lp, illuminated from the top with He-Ne laser. The experimental result showed that the maximum intensity of the transmitted light have an exponential decay behavior with the thickness, similar to the simulation result. The variation of the Gaussian widths of both simulated and experimental results was basically the same, with compatible angular coefficients, 0.85 mm/mm (simulated) and 0.82 mm/mm (experimental). The simulated light profile at 12 mm from the incidence plane is very similar to the experimental curve of scattered light intensity with depth, whose maximum occurs at 6.1mm with asymptotic exponential coefficient of 1.79 cm-1.The Monte Carlo simulation results were compatible with the experimental results. Keywords: Laser, Monte Carlo simulation, fat emulsion, light distribution. Introdução Conhecer a dose de luz internamente no tecido pode determinar a eficiência de muitos procedimentos realizados com LBI, tais como PDT, redução do processo inflamatório, analgesia e cicatrização de feridas. Como não temos acesso à fluência de luz internamente ao tecido, o Método de Monte Carlo tornou-se uma poderosa ferramenta para a dosimetria, pois auxilia no melhor entendimento das interações laser-tecido e na determinação da dose adequada ao tecido. Portanto, pode-se otimizar o planejamento clínico da terapia levando a melhores resultados clínicos com redução de custos no tratamento. Correspondência: André Luiz Oliveira Ramos – Laboratório de Dosimetria – Departamento de Física Nuclear do Instituto de Física da Universidade de São Paulo – Caixa Postal 66318, CEP: 05314-970 – São Paulo (SP), Brasil – E-mail:[email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 59 Ramos ALO, Sousa MVP, Yoshimura EM O objetivo deste trabalho é calcular a distribuição de luz em emulsão de gordura utilizando o Método de Monte Carlo, comparar seus resultados com procedimentos experimentais para validação da simulação. Material e métodos Foi utilizado o software MCML 1.2.2-20001, o qual realiza simulação de Monte Carlo para transporte de luz em meios turvos multi-camadas. Com ele, foi simulada a distribuição de luz em camadas de Lipovenos® 10% (Lp) de várias espessuras em geometria cilíndrica de 26 mm de diâmetro. As propriedades ópticas do Lp no comprimento de onda de 633nm são mostradas na tabela 1: Tabela 1. Propriedades ópticas de Lipovenos 10%2. n 1,332 g 0,69 µa (cm-1) 0,0023 µs (cm-1) 411,39 n = índice de refração; g = coeficiente anisotrópico; µa = coeficiente de absorção; µs= coeficiente de espalhamento. Com os resultados, a distribuição radial de fluência na base da amostra e o perfil de fluência de luz ao longo de uma linha distante 12 mm do feixe de laser, foram analisados. Como a simulação trabalha em geometria cilíndrica, para validá-la, um experimento foi realizado utilizando-se uma cubeta de PMMA com 26 mm de diâmetro e 50 mm de altura. Para obter imagens da lateral da cubeta ela foi projetada com um corte plano de 10 mm de largura da base ao topo, ao longo da parede da cubeta (figura 1). Foram colocadas quantidades diferentes de Lp, de maneira a variar a espessura de líquido (h) numa faixa de 3 a 12 mm. O laser de HeNe (raio = 2 mm) foi aplicado verticalmente no centro da cubeta. A potência foi ajustada de acordo com a espessura utilizada, para facilitar análise de imagens: de 3 a 5 mm (10µW), 6 a 12 mm (208µW) e 30 mm (6µW). Imagens foram capturadas por câmera CCD posicionada a 90º da direção de incidência do laser assim como da base da amostra, conforme a figura 2. De cada imagem obtida foi extraída a variação em escala de cinza ao longo de uma linha, com o software Image J. Das imagens obtidas lateralmente foi extraído o comportamento da variação de intensidade de luz ao longo de uma linha na direção z, na posição central da janela da cubeta (figura 3). Já das imagens obtidas do fundo da amostra, foi extraído o comportamento da variação de intensidade de luz ao longo de uma linha na direção radial na base da cubeta, passando pelo pixel correspondente ao nível máximo na escala de cinza, figuras 4 e 5. Resultados Figura 1. Vista superior da cubeta. Figura 2. Arranjo experimental. 60 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):59-62. No gráfico da figura 3, podemos observar que o perfil de fluência simulado é compatível à curva experimental de intensidade de luz com a profundidade de Lp. Como esperado, no início a intensidade aumenta com a profundidade até um valor máximo, em seguida decresce exponencialmente. Nas figuras 4 e 5, foi analisada a abertura do perfil de intensidade de luz e a intensidade máxima com a espessura de Lp. Para isso, tentou-se ajustar estas curvas com várias funções de pico. Esses perfis de intensidade foram mais bem ajustados com a função gaussiana. Com o resultado do ajuste de dados para cada espessura de Lp, extraíram-se da curva ajustada os valores de máxima intensidade e a largura da distribuição. Foi analisada a variação da largura de distribuição de fluência com a espessura de amostra simulada, e o comportamento da largura de distribuição de intensidade de luz transmitida experimentalmente (figura 6). Dos resultados da simulação, foi analisado o comportamento da fluência máxima de luz no fundo da amostra com a espessura, e dos resultados experimentais o comportamento da intensidade máxima de luz transmitida (Figura 7). Validação de Simulação de Monte Carlo para Estudo da Distribuição de Luz em Tecidos Biológicos 12 0.8 10 Z max = 0,61 cm -1 µas = 1,79 cm 0.6 Zmax = 0,64 cm µas = 1,65 cm 0.4 8 Monte Carlo Experimental -1 σ (mm) In te n s id a d e d e L u z N o rm a liz a d a 1.0 0.2 4 0.0 2 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Monte Carlo Experimental 6 3.0 2 4 6 Z (cm) Figura 3. Perfil de intensidade de luz normalizada ao longo da direção z, a uma distância radial de 12 mm do ponto de incidência. Comparação entre resultados experimentais e simulação de Monte Carlo. 12 Figura 6. Variação da largura da distribuição do perfil radial de intensidade em função da espessura de Lp. Comparação entre resultados experimentais e simulação de Monte Carlo. h = 3 mm 0.8 Monte Carlo Experimental 0.6 0.4 0.2 0.0 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 Intensidade Máxima Normalizada In te n s id a d e d e L u z N o rm a liz a d a 10 1.0 1.0 0.8 0.6 Monte Carlo Experimental 0.4 0.2 0.0 2 r(cm) 1.0 4 6 8 10 12 Espessura - h (mm) Figura 4. Perfil de intensidade de luz normalizada do fundo da amostra a 3 mm de profundidade, ao longo da direção radial. Comparação entre resultados experimentais e simulação de Monte Carlo. In te n sid a d e d e L u z N o rm a liza d a 8 Espessura - h (mm) Tabela 2. Parâmetros de atenuação obtidos do ajuste dos dados da figura 7, com exponencial de 2ª ordem. h = 8 mm 0.8 Monte Carlo Experimental 0.6 Figura 7. Intensidade máxima em função da espessura de Lp. Comparação entre resultados experimentais e simulação de Monte Carlo. Fator de atenuação µ1 (cm-1) µ2 (cm-1) Monte Carlo 30,7 5,0 Experimental 28,7 7,6 Os dados da figura anterior foram ajustados com exponencial de segunda ordem. Os parâmetros de atenuação obtidos do ajuste são mostrados na tabela 2. 0.4 0.2 0.0 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 r(cm) Figura 5. Perfil de intensidade de luz normalizada do fundo da amostra a 8 mm de profundidade, ao longo da direção radial. Comparação entre resultados experimentais e simulação de Monte Carlo. Discussão e conclusões No gráfico da figura 3, pode-se notar que em ambas as curvas há o aumento da intensidade até um máximo (posição zmax) e mais adiante, um comportamento exponencial de atenuação caracterizado por µas. O perfil de fluência simulado é muito similar à curva experimental de intensidade Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):59-62. 61 Ramos ALO, Sousa MVP, Yoshimura EM de luz com a profundidade de Lp, onde o máximo ocorre em 6,4 mm com um coeficiente exponencial assintótico de 1,65 cm-1. O resultado da simulação é compatível com o experimental. Os gráficos da figura 4 e 5 mostram que o resultado calculado da distribuição de intensidade no fundo da amostra é basicamente o mesmo que o obtido experimentalmente, para espessuras de 3 mm e de 8 mm de Lp. Observa-se também uma distribuição de intensidade mais larga para a maior espessura do Lp, comportamento que está sistematizado na figura 6, na qual se observa que a largura da distribuição de fluência na base da amostra é proporcional à espessura de Lp. O mesmo comportamento ocorreu experimentalmente e os coeficientes angulares obtidos por ajustes são compatíveis entre si, 0,85 mm/mm (simulado) e 0,82 mm/mm (experimental). Além disso, a intensidade luminosa máxima e a fluência total transmitida através da amostra decrescem exponencialmente com a espessura da amostra tanto nos resultados experimentais quanto nos calculados, figura 7, 62 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):59-62. e os pares de coeficientes de atenuação obtidos foram próximos. Todos estes resultados mostram que os resultados da simulação de Monte Carlo são basicamente os mesmos dos experimentais. Agradecimentos Ao CNPq pelo apoio financeiro e ao Laboratório de Óptica do IFUSP. Referências 1. Wang LH, Jacques SL, Zheng LQ. MCML – Monte Carlo modeling of photon transport in multi-layered tissues. Computer Methods and Programs in Biomedicine 1995; 47: 131-146. Software disponível em: http://omlc.ogi. edu/software/mc/. Acessado em 31/3/2010. 2. Michels R, Foschum F, Kienle A. Optical properties of fat emulsions. Optics Express 2008;16(8):5907-25. Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):63-6. Estimativa de dose ovariana e dose na entrada da pele em procedimentos de embolização de artéria uterina Estimate of ovarian dose and entrance skin dose in uterine artery embolization procedures Marcia C. Silva1, Felipe Nasser1, Breno B. Affonso1, Raimundo T. Araújo Jr.1, Eduardo Zlotnik1, Marcos L. Messina1,2 e Edmund C. Baracat2 Hospital Israelita Albert Einstein (HIAE) – São Paulo (SP), Brasil 2 Hospital das Clínicas (FMUSP) – São Paulo (SP), Brasil 1 Resumo O objetivo deste estudo foi estimar a dose ovariana e a dose na entrada da pele de pacientes submetidas ao procedimento de embolização de mioma uterino (EMUT). Para isso, foram acompanhados 49 procedimentos de EMUT onde foram anotados os parâmetros de aquisição de imagem para cálculo da DEP através do rendimento do tubo de raios-X. A estimativa de dose ovariana foi realizada através da inserção de uma sonda vaginal contendo 3 pastilhas de TLD. Os valores obtidos foram comparados com resultados de outros autores e verificou-se um valor superior de dose ovariana (28,97 cGy) e DEP (403,57 cGy) neste trabalho. A análise dos resultados permitiu observar que esse resultado foi obtido principalmente devido ao alto número de séries de arteriografia e taxa de frames/segundo empregada. Como resultado dessas observações, o protocolo de EMUT foi alterado baixando-se a taxa de frames/seg de 2 para 1. Esforços no sentido de reduzir o número de séries de arteriografia também passaram a fazer parte dos procedimentos seguintes. Palavras-chave: Embolização de mioma uterino, dose ovariana, dose na entrada da pele. Abstract The goal of this study was to estimate the ovarian dose and entrance skin dose (ESD) of patients who underwent uterine artery embolization (UAE) procedure. To achieve this, 49 UAE procedures were accompanied where the parameters of image acquisition were recorded for the calculation of the DEP from the output of the X-ray tube. The estimation of the ovarian dose was carried out by the insertion of a vaginal probe containing 3 TLD´s. The obtained values were compared with the results of other authors and a higher value of ovarian dose (28,97 cGy) and ESD (403,57 cGy) was found in this work. Analysis of the results allowed us to observe that this result was obtained mainly as a result of the high number of arteriography series and the frames/second rates employed. Following on from these observations, the protocol of EMUT was altered reducing the frames/seg rate from 2 to 1. Efforts with a view to reducing the number of arteriography series also became part of the next proceedings. Keywords: Uterine artery embolization, ovarian dose, entrance skin dose (ESD). Introdução A embolização de artéria uterina em pacientes SUS atendidas no Ambulatório de Ginecologia do Hospital das Clinicas da FMUSP e portadoras de miomatose uterina sintomática, vem sendo realizada no setor de Radiologia Vascular Intervencionista do Hospital Albert Einstein como parte de seu programa de responsabilidade social. Os critérios para a seleção das pacientes incluem: presença de sintomatologia (dor pélvica crônica, menorragia, dismenorreia); estudo ultra-sonográfico da pelve compatível com miomatose uterina; concordância, por escrito, com o termo de consentimento livre e com o protocolo de pesquisa, autorizado pela Comissão de Ética. O procedimento de embolização de mioma uterino (EMUT) consiste no acesso e embolização da artéria uterina guiado por raios-X Por se tratarem de mulheres muitas vezes ainda em idade reprodutiva, tornou-se parte do projeto a inclusão da estimativa de dose recebida por essas pacientes. Assim, neste trabalho, foram estimadas as doses ovarianas (DO) e na entrada da pele (DEP) das pacientes submetidas ao procedimento de EMUT. Correspondência: Marcia de Carvalho Silva - Rua Edgar Machado Santana, 53 - CEP: 05587-000 - Butantã - São Paulo (SP), Brasil. E-mail:[email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 63 Silva MC, Nasser F, Affonso BB, Jr. RTA, Zlotnik E, Messina ML, Baracat EC Material e métodos Foram acompanhados 49 procedimentos de EMUT em pacientes com idade média de 36 anos (27 – 44), todos realizados em um equipamento de Hemodinâmica Philips Integris Allura. O procedimento consiste no acesso (via cateter) e embolização das artérias uterina esquerda e direita. No início do procedimento, uma arteriografia pélvica (taxa de 2 frames/segundo) é realizada para a identificação da anatomia vascular. A inserção de catéter é guiada por fluoroscopia continua em projeções obliquas, usando a técnica roadmap. Após o acesso da artéria uterina, a embolização é feita por injeções de micropartículas usando fluoroscopia continua em modo PA e colimação fechada na área de interesse. Durante o procedimento, outras tomadas de arteriografias podem ser realizadas quando necessárias para controle. O tamanho de intensificador de imagem selecionado durante todo o procedimento é de 30 cm, com exceção de poucos casos em que a visualização da artéria era muito difícil e foi selecionado o tamanho 22 cm, somente durante a passagem do cateter. Todas as arteriografias foram feitas no tamanho de intensificador 33 cm. Método para a estimativa da dose ovariana por dosimetro vaginal Uma adaptação da proposta descrita por Nikolic et al.1 foi usada para a estimativa de dose ovariana. Três dosimetros termoluminescentes de Fluoreto de Lítio (TLD-100) são inseridos nas pacientes através de uma sonda vaginal nº 16. Uma pequena esfera de metal (marcador) é colocada próxima às pastilhas de TLD´s para permitir uma melhor visualização da posição dos dosimetros dentro da paciente (Figura 1). Após o término do procedimento os dosimetros são retirados e levados até uma leitora Harshaw QS 3500 onde são feitas as leituras das 3 pastilhas e calculada a média. A leitura de cada TLD é feita em unidades de Coulomb (C) e a conversão para unidades Kerma no Ar (Gray - Gy) é feita através da curva de calibração previamente levantada com uma câmara de ionização 60cc e monitor 9015 da Radcal Inc pertencente ao Instituto de Eletrotécnica e Energia da USP. A calibração foi realizada no mesmo equipamento de Hemodinâmica usado durante os procedimentos de EMUT, na tensão de pico de 75 kV. Após a leitura, os dosimetros passam por um processo térmico antes de poderem ser usados novamente2. O fator de conversão de Kerma no Ar para Dose Absorvida usado foi 1. Método para a estimativa da dose na entrada da pele Em cada procedimento acompanhado foram anotados os parâmetros técnicos abaixo de cada fase do procedimento: Modo Fluoroscopia: Tamanho de Intensificador de Imagem (II), Distância Foco-pele, Distância Foco-II, Tensão (kVp), mA, Tempo acumulado (parcial e total), Colimação e Ângulo de Rotação. Modo Arteriografia: Tamanho de II, Distância Focopele, Distância Foco-II, Tensão (kVp), mAs, N° de Frames/s, Colimação e Ângulo de Rotação Os valores de Kerma no Ar Incidente (INAK) foram calculados pela equação 1: ⎛ 1 ⎞ INAK(mGy) = mAs ⋅ R(kV ) ⋅ ⎜ ⎝ DFP ⎟⎠ 2 (1) Onde: R(kV) = Rendimento do tubo (em mGy/mAs @ 1 metro) para um dado valor de kV calculado através da curva de rendimento do equipamento, determinada anteriormente pelo Instituto de Eletrotécnica e Energia da USP, durante os testes de Controle de Qualidade Anuais do equipamento. DFP = Distância Foco-Pele (m) Os valores de Dose na Entrada da Pele (DEP) foram calculados a partir dos valores de INAK usando a equação 2: DEP(mGy) = f ⋅ FRE ⋅ INAK (2) Onde: f = 1 (razão da dose absorvida no tecido pela dose absorvida no ar) FRE = Fator de Retroespalhamento (dependente do kV e do tamanho de campo irradiado). Os valores de FRE usados foram os da ref.3 considerando um tamanho de campo de 18 x 18 cm para campo aberto e 10 x 10 cm para campo colimado. Resultados Figura 1. Sonda vaginal contendo 3 pastilhas de TLD. A seta indica o marcador localizado na ponta da sonda. 64 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):63-6. Foram analisados os resultados obtidos dos 49 casos acompanhados durante este estudo. Desses 49, a análise da dose ovariana (DO) não foi possível em 7 casos devido Estimativa de dose ovariana e dose na entrada da pele em procedimentos de embolização de artéria uterina 12000 Fluoroscopia Arteriografia Total 10000 DEP (mGy) 8000 6000 4000 2000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 Caso Figura 2. Valores parciais de DEP para fluoroscopia e arteriografia e DEP total para cada um dos procedimentos acompanhados. Tabela 1. Principais parâmetros e valores médios obtidos neste trabalho e por Nikolic e Vetter. Os valores entre parênteses são os valores mínimos e máximos obtidos Item Nº de pacientes Idade Média (anos) Tempo médio de fluoroscopia (min) Quantidade média de séries de Arteriografia Total de Frames (média) Dose ovariana média (cGy) INAK (cGy) – Fluoroscopia INAK (cGy) – Arteriografia INAK Total Médio (cGy) DEP Total Médio (cGy) Este trabalho 49 36,3 (27 – 44) 26,7 (10,2 – 87,8) 9 (6 – 17) 181 (101 – 305) 28,97 (8,95 – 81,14)* 157,7 (38,0 – 738,0) 133,4 (45,8 – 338,9) 291,1 (105,8 – 826,9) 403,6 (143,5 – 1141,0) Nikolic et al.1 20 43,7 (30 – 53) 21,89 (8,9 – 52,5) 44 (21 – 62) 22,34 (4,25 – 65,08) - Vetter et al.4 33 41 (22 – 55) 22,5 (8,9 – 42) 6 (2 – 13) 33 (15 – 89) 5,1 - 162,32 (66,01 – 303,89) (*) Valor médio de 30 casos analisados. a problemas na leitora de TLD e em 3 casos em que as pacientes eram virgens e, portanto, foi respeitado seu desejo em não ter a sonda inserida. Também foram retirados da análise de DO 10 casos em que a sonda não ficou bem localizada dentro do feixe útil de radiação, resultando em leituras muito mais baixas do esperado. Portanto, a análise de DO só foi feita em 30 dos 49 casos. O cálculo da Dose na Entrada da Pele foi realizado em todos os 49 casos. A Figura 2 mostra os valores de DEP parciais para a Fluoroscopia e para a arteriografia bem como a DEP Total em cada um dos casos estudados. Dois casos excepcionalmente difíceis (21 e 38) tiveram um tempo acumulado de fluoroscopia muito alto, resultando em maiores valores de DEP. A Tabela 1 apresenta os resultados dos valores médios de tempo acumulado de fluoroscopia, número de séries de arteriografia e número total de frames dos 49 casos acompanhados. Apresenta, também, os valores médios de Kerma no Ar incidente (INAK) calculados para o modo fluoroscopia e para o modo aquisição (Arteriografia), bem como do INAK e DEP Totais. Também são apresentados os valores obtidos nos trabalhos de Nikolic et. al1 e Vetter et al.4. Nikolic desenvolveu seu trabalho usando TLD´s tanto para a estimativa de dose ovariana como de DEP. Vetter usou técnicas de Monte Carlo e medidas de produto dose-área em seu estudo. Os resultados mostram que a maior diferença entre os resultados obtidos neste trabalho com relação aos de Nikolic Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):63-6. 65 Silva MC, Nasser F, Affonso BB, Jr. RTA, Zlotnik E, Messina ML, Baracat EC e Vetter está relacionada ao número total de Flags das arteriografias. A média de tempo acumulado de fluoroscopia foi de 26,7 minutos, pouco acima daqueles obtidos por Nikolic et al. e Vetter et al. Os resultados obtidos de Dose Ovariana e Dose na Entrada da Pele neste trabalho estão acima daqueles obtidos por outros autores. Isso se deve principalmente ao número maior de séries de arteriografia e de taxas de frame/segundo usados durante este trabalho. Discussão e conclusões As estimativas de DEP e INAK através da curva de rendimento do tubo nos permitiram observar que a dose devida as séries de arteriografia correspondem a aproximadamente metade da dose total recebida pela paciente e, em alguns casos até mais, como mostra a Figura 2. Essa conclusão nos levou a tomar a atitude de reduzir a taxa de frames/segundo de 2 para 1. Também está sendo feito um esforço no sentido de reduzir a quantidade de séries. Essas alterações já foram colocadas em prática e o resultado deverá ser alvo de trabalho posterior. A metodologia empregada na estimativa de Dose Ovariana não é considerada ideal, pois o dosimetro vaginal não fica exatamente localizado nos ovários4. Entretanto, 66 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):63-6. essa metodologia já foi empregada anteriormente2,5 e nos permitiu comparar com os resultados obtidos por Nikolic. Agradecimentos Os autores agradecem à equipe de enfermagem do setor de Radiologia Vascular do Hospital Albert Einstein pelo apoio e colaboração com este trabalho. Referências 1. Nikolic B, Spies JB, Lundsten ML, Abbara S. Patient radiation dose associated with uterine artery embolization. Radiology. 2000;214(1):121-5. 2. Barsanelli C. Metodologia de calibração de dosimetros termoluminescentes. (Dissertação) Campinas (SP), Universidade Estadual de Campinas; 2003. 3. Petoussi-Henss N, Zankl M, Drexler G, Panzer W, Regulla D. Calculation of backscatter factors for diagnostic radiology using Monte Carlo methods. Phys Med Biol.1998;43(8):2237-50. 4. Vetter S, Schultz FW, Strecker EP, Zoetelief J. Patient radiation exposure in uterine artery embolization of leiomyiomata: calculation of organ doses and effective dose. Eur Radiol. 2004;14(5):842-8. 5. Hedgpeth PL, Thurmond AS, Fry R, Schmidgall JR, Rösch J. Radiographic fallopian tube recanalization: absorbed ovarian dose. Radiology. 1991; 180(1):121-2. Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):67-70. Análise preliminar das doses para avaliação da qualidade da imagem em exames radiográficos na Radiologia Veterinária Preliminar analysis of doses to evaluate the image quality in radiographic examinations in Veterinary Radiology Ana Carolina B. C. F. Pinto 1,Mayara T. P. Dias. 1, Andréa C. Santos 1, Camila S. Melo 2, Tânia A. C. Furquim2 1 Faculdade de Medicina Veterinária e Zootecnia da Universidade de São Paulo (FMVZ/USP) – São Paulo (SP), Brasil 2 Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo (IEE/USP) – São Paulo (SP), Brasil Resumo Este trabalho tem como objetivo analisar a dose radiológica e a qualidade da imagem da carta técnica utilizada para a realização de radiografias de tórax e coxal de animais das espécies canina e felina. O estudo foi realizado no serviço de Diagnóstico por Imagem do Hospital Veterinário da Faculdade de Medicina Veterinária e Zootecnia da Universidade de São Paulo, em dois equipamentos convencionais. Inicialmente, foram coletados dados acerca das características físicas dos animais e da técnica utilizada para cada um dos 188 exames radiográficos de tórax e 52 exames de coxal. Os animais foram alocados em diferentes grupos, de acordo com seu peso corpóreo. Para cada grupo, foram calculadas as médias de cada quesito: espessura da região a ser radiografada, tensão, corrente elétrica, tempo de exposição, produto corrente-tempo, tamanho do filme utilizado, presença ou ausência de bucky e foco (fino ou grosso). Com base nas médias do grupo de tamanho intermediário M (pesos menores que 5 kg para gatos e entre 10,1 kg e 20 kg para cães), realizou-se a análise física da carta técnica atual, frente ao uso dos instrumentos: câmara de ionização (para determinação do valor de kerma no ar), objetos simuladores (representativos da espessura do animal) e três dispositivos padrões de teste que avaliam resolução espacial, resolução em baixo contraste e contraste-detalhe. As imagens obtidas foram analisadas e comparadas por um físico e uma médica veterinária radiologista. Os resultados mostraram que os exames fornecem doses consideradas altas para técnicas utilizadas principalmente para coxal. O equipamento A, apesar de fornecer doses mais altas, apresenta as melhores imagens para a maioria das projeções. Porém, o estudo indica que, mesmo não havendo níveis de referência, estes exames devem passar por melhoria de qualidade de imagem. Palavras-chave: Proteção radiológica, radiologia. Abstract This work has as objective to promote the analysis of the radiological doses and quality of the image of the technical letter used for the accomplishment of thorax and coxal radiographic examination of animals of canine and feline species. The study was accomplished in the service of Diagnosis for Image in Veterinarian Hospital of Veterinary Medicine and Zootecnia College of University of São Paulo, in two conventional equipment. Initially, physical features of the animals and the technique used were collected for each one of the 188 radiographic examinations of thorax and 52 examinations of coxal. The animals were placed in different groups, according to their body weight. For each group, the averages for each feature were calculated: thickness of the radiographed region, tension, electric current, time of exhibition, current product electric-time, size of the used film, presence or absence of bucky and feature of focus (narrow or thick). On the basis of the averages of group M (of lesser weights that 5kg for cats and between 10,1kg and 20kg for dogs), was executed a physical analysis of the current technical letter, using the equipments: ionization chamber (to determinate the value of kerma in air), simulator objects (representative of the thickness of the animal) and three dispositive standards of test that evaluate space resolution, resolution in low contrast and contrast-detail. The obtained images were analyzed and compared for a physicist and a radiologist medical veterinary. The results had shown that the examinations supply dose considered high for techniques used mainly for coxal. The equipment A, although to supply higher doses, presents the better images for the majority of the projections. However, the study indicates that there aren’t exactly reference levels, but these examinations must pass for improvement of quality of image. Keywords: Radiation protection, radiology. Correspondência: Tânia A. C. Furquim – Instituto de Eletrotécnica e Energia da USP – Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289, Cidade Universitária – CEP: 05508-010, São Paulo (SP), Brasil – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 67 Pinto ACB, Dias MTP, Santos AC, Santos AC, Melo CS, Furquim TAC Introdução O estudo radiológico é indispensável à rotina clínica da medicina veterinária, devido a sua simplicidade e rapidez na elucidação dos casos clínicos1. Tendo em vista a crescente incorporação da radiologia nos diversos segmentos da medicina veterinária, devese levar em consideração os possíveis efeitos biológicos provocados pela exposição aos raios X. Nesse contexto, percebe-se a importância dos estudos de otimização da dose em exames radiográficos2. A eficácia e o sucesso do exame radiográfico dependem da produção de uma imagem de boa qualidade, levando-se em consideração os aspectos envolvidos na radioproteção3. A qualidade da imagem radiográfica é afetada pelos fatores de exposição, tais como: corrente, tempo de exposição, tensão e distância foco-filme. Além desses fatores técnicos, envolve todas as variáveis relacionadas aos tecidos radiografados. Depende, pois, da absorção dos raios X pelos tecidos, determinada pela quantidade e qualidade da radiação emitida, espessura da região a ser radiografada, posicionamento e peso do animal, e pela composição química de seus elementos4. Apesar de não haver níveis de referência para exames radiológicos veterinários, existem estudos que mostram efeitos determinísticos em algumas espécies submetidas a alguns tipos de exames5. Além disso, como cada exame conta em média com duas ou três pessoas para segurar os animais,.estabelecer uma carta técnica ótima em radiologia veterinária implica em uma quantidade muito menor de repetições de radiografias, o que neste caso evita que várias pessoas sejam irradiadas. Desta forma, a otimização de uma carta técnica envolve uma análise crítica e criteriosa tanto da dose de radiação recebida pelo animal, bem como a análise mais objetiva possível da qualidade da imagem radiográfica. Material e métodos A análise da carta técnica dos exames realizados no serviço de radiologia do Hospital Veterinário da Faculdade de Medicina Veterinária e Zootecnia da Universidade de São Paulo compreendeu a medição da grandeza dosimétrica de kerma no ar; e a análise da qualidade das imagens, utilizando-se as técnicas empregadas atualmente no serviço. Para tanto, utilizou-se uma câmara de ionização de 6 cm3, Radcal Co. para medição de kerma no ar na entrada do paciente. Para a análise da qualidade das imagens, utilizaramse objetos simuladores de polimetilmetacrilato na espessura da parte anatômica do paciente; bem como os dispositivos de teste Test Tool ETR-1 Scanditronix Wellhöfer; X-Check Rad – PTW e CDRAD Contrastdetail phantom para a avaliação de resolução de alto e 68 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):67-70. baixo contraste, curvas de contraste-detalhe e sensibilidade de atenuação. Levantamento de dados Durante 60 dias, realizou-se a coleta de dados de 240 animais, entre caninos (C) e felinos (F), submetidos a exames radiográficos de tórax (T) e coxal (C), nas projeções látero lateral (LL) e ventro-dorsal (VD). As características analisadas se resumiram a: espécie, raça, peso do animal, categoria animal, projeção a ser radiografada, espessura da região a ser radiografada, distância foco-filme, tensão, corrente elétrica, tempo de exposição, produto correntetempo, tamanho do filme utilizado, presença ou ausência de bucky, tamanho do foco (fino ou grosso) e equipamento de raios X utilizado Foram utilizados dois equipamentos convencionais, designados de A e B. O quesito “categoria animal” se baseou no agrupamento de animais de acordo com o peso que cada um apresentava. Com isso, foi possível determinar cinco grupos para cães (PP, P, M, G e GG) e dois para gatos (M e G). A partir dessa classificação, foram utilizados os valores da categoria intermediária (M) para a realização da análise física (animais com peso entre 10,1 kg e 20 kg para caninos; e com peso menor que 5 kg para felinos). Com base nos dados dos grupos padrões, foram calculadas as médias para cada quesito. Avaliação da carta técnica Esta etapa envolveu a medição de kerma no ar na entrada do paciente e a obtenção de imagens dos dispositivos de teste, para posterior avaliação da qualidade da imagem. O estudo das imagens concentrou-se nos dados médios do grupo padrão M. O kerma no ar foi obtido a partir de três medições para cada: equipamento, projeção radiográfica e região a ser radiografada (T e C), calculando-se, por fim, a média de kerma no ar. Outro procedimento realizado envolveu a obtenção de imagens para posterior avaliação de sua qualidade. Para tanto, utilizou-se polimetilmetacrilato, de modo a reproduzir a espessura média do grupo padrão em questão, para cada projeção radiográfica. Os dispositivos de teste foram, pois, dispostos entre as placas de acrílico. As imagens foram obtidas com base na técnica média já explanada anteriormente. O mesmo foi realizado para cada grupo padrão, projeção radiográfica, equipamento de raios X e região a ser radiografada. Análise da qualidade das imagens A fase em questão envolveu a avaliação das imagens obtidas na etapa anterior. Esta análise foi promovida e comparada por dois profissionais de áreas de atuação distintas: um físico e um médico veterinário radiologista, ambos com experiência na avaliação de imagem radiológica. Os quesitos a serem analisados em cada imagem gerada por cada dispositivo de teste se encontram abaixo: - ETR-1 Wellhöfer: resolução espacial e densidade óptica. Análise preliminar das doses para avaliação da qualidade da imagem em exames radiográficos na Radiologia Veterinária - X-Check Rad: baixo contraste e resolução especial. - CDRAD: obtenção da curva de contraste-detalhe e figura de qualidade de Imagem invertida (image quality figure, IQFinv): 100 15 ∑C i 4,0 Kerma no ar (mGy) IQFinvertid o = 5,0 (1) • Di, és im o 3,0 2,0 1,0 0,0 PP i=1 GG Coxal LL - A Coxal LL - B Coxal VD - A Tórax LL - B Tórax VD - A Tórax VD - B Coxal VD - B Tórax LL - A 6 Resolução espacial (pl/mm) O levantamento de dados permitiu que se medisse o kerma no ar na entrada do paciente, para cada grupo padrão e para cada exame. Como mostra a Figura 1, os valores foram obtidos com os parâmetros técnicos utilizados rotineiramente. O kerma no ar na projeção coxal foi sempre maior que tórax, e aumenta muito com o tamanho do animal. Percebe-se que para animais do grupo GG, o kerma no ar alcança valores muito altos principalmente no equipamento B, para exames de coxal. Os exames de tórax apresentaram kerma no ar em torno de 0,31 mGy, para o grupo P, 0,35 mGy para o grupo M, 0,57 mGy para o grupo G, e 0,78 mGy para o grupo GG. Para tórax, o equipamento B fornece os menores kermas no ar. Como as imagens foram obtidas sempre para o grupo padrão M, a Figura 2 mostra que a resolução espacial apresenta um comportamento melhor para exames de tórax no equipamento A. No caso particular de CC-VD, alcança menores valores de dose e resolução maior. Porém, vale ressaltar que a resolução como um todo pode ser melhorada para os dois equipamentos. Outro parâmetro de imagem avaliado foi o contraste-detalhe, quantificado pelo IQFinv. A Figura 3 também mostra que para kermas no ar com valores próximos, o equipamento A sempre apresenta melhor qualidade de imagem. No caso de CC-VD, os kermas no ar apresentam as melhores respostas. Este resultado indica que, exames que requerem riqueza de detalhes, o A parece ser o equipamento indicado, apesar de apresentar um pouco mais de dose em algumas projeções. A avaliação de baixo contraste considera melhor o resultado da imagem que consegue identificar menores diferenças porcentuais de contraste. Assim, avaliandose a Figura 4 percebe-se que todos os exames feitos no equipamento A possuem baixo-contraste melhor do que os mesmos realizados no B em doses menores também. G Figura 1. Kerma no ar versus tamanho baseado no peso do animal para todos os exames coletados de canino nos equipamentos A e B. 5 CF - LL E VD TF - LL TF - VD TC - LL TC - VD TF - LL TF - VD 4 CC - VD CC - LL 3 TC - VD TC - LL CC - LL CC - VD 2 1 0 0 0,5 1 1,5 2 kerma no ar (mGy) A B Figura 2. Kerma no ar versus resolução espacial para todos os exames coletados de caninos e felinos nos equipamentos utilizados. 4 CF - LL e VD 3,5 TF - LL 3 TC - LL TF - LL 2 CC - VD TF - VD 2,5 IQFinv Resultados M Tamanho baseado no peso do Animal CC - LL TC - VD TF - VD CC - LL TC - LL 1,5 1 CC - VD TC - VD 0,5 0 0 0,2 0,4 0,6 A 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Kerma no ar (mGy) B Figura 3. Kerma no ar versus IQFinv invertido para todos os exames coletados de caninos e felinos nos equipamentos A e B. 24 Baixo contraste (%) onde Di denota o diâmetro limite na coluna de contraste Ci. Este parâmetro apresenta a propriedade que quanto maior o valor do IQFinv melhor a qualidade da imagem. P 20 TF - VD TC - VD e LL TF - LL 16 CC - LL CC - VD TC - LL TF - VD 12 TF - LL 8 CF - LL e VD 4 C C - VD TC - VD C C - LL 0 Discussão e conclusões Tendo em vista as características estruturais anatômicas da região torácica, percebe-se que a existência de um gap de ar (correspondente à estrutura pulmonar) 0 A 0,2 0,4 B 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Kerma no ar (mGy) Figura 4. Kerma no ar versus porcentagem de baixo contraste para todos os exames coletados de caninos e felinos nos equipamentos A e B. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):67-70. 69 Pinto ACB, Dias MTP, Santos AC, Santos AC, Melo CS, Furquim TAC corrobora para a obtenção de uma imagem radiográfica com alto contraste por si só. Desta forma, mediante as características das estruturas anatômicas da região torácica, ao se avaliar a imagem espera-se que esteja reproduzido todo o padrão vascular em todo o pulmão bem como as possíveis alterações passíveis de visualização radiográfica envolvendo a região. Conclui-se que uma imagem radiográfica de tórax de qualidade satisfatória deve permitir uma acurada avaliação acerca de resolução espacial e detalhe, ou seja, para detalhes circulares, espera-se que a imagem atinja um alto contraste de 0,7 mm e em baixo contraste de pelo menos 2 mm de diâmetro. Para detalhes lineares espera-se alto contraste de pelo menos 0,3 mm e 2 mm de largura para baixo contraste. Levando em consideração essas características da imagem, observou-se nas Figuras 1 e 2 que o equipamento A proporciona uma maior resolução espacial e maior IQFinv, mas, nem sempre com as menores doses que o equipamento B. Os resultados mostram que, as imagens do equipamento B precisam ser melhoradas, mesmo que isso aumente as doses. Uma radiografia deve conter critérios mínimos de qualidade, mesmo que a dose seja um pouco maior para alcançá-los, e evitando a repetição de radiografia. Em relação à região do coxal, busca-se identificar alterações principalmente em tecido ósseo. Devido a este fato, para uma radiografia ser classificada como de qualidade satisfatória, esta deve apresentar bom contraste em pequenos detalhes. Para isso, o dispositivo contrastedetalhe deve fornecer um valor maior de IQFinv e deve-se distinguir objetos em baixo contraste. Esta característica pode ser avaliada nas Figuras 3 e 4, onde percebe-se que para a maioria dos tamanhos de animais o equipamento A comporta-se adequadamente. Mesmo com valores de qualidade de imagem comparativamente melhores que o 70 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):67-70. equipamento B, o equipamento A pode melhorar seu desempenho, otimizando-se a carta técnica. Contudo, a otimização começou por avaliar a melhor qualidade de imagem por tipo de exame, e em cada equipamento, prevendo que haveria uma redução na repetição de radiografias. Os estudos continuam sendo realizados para que a mesma qualidade de imagem seja alcançada no serviço como um todo e o segundo passo, que a qualidade se mantenha diminuindo-se o kerma no ar. O processo de otimização em radiologia veterinária é mais complexa por haver uma variedade muito grande de tamanhos e raças de animais, o que requer uma análise de um grande número de imagens. Agradecimentos Os autores agradecem à FAPESP pelo apoio financeiro. Referências 1. Ticer WJ. Técnicas Radiológicas na Prática Veterinária. 2 ed. Rio de Janeiro: Roca; 1987. 2. Mattews K, Brenan PC. Optimisation of X-rays examinations: General principles and an Irish perspective.Radiography. 2009; 15: 262-8. 3. Kotsubo MTK, Marchiori E, Azevedo ACP. Chest radiographs dosimetry study using high kilovoltage techniques. Radiol Bras [homepage da Internet]. 2003;36(3):163-7. [acesso em 2010 mar 17]. Disponível em http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S010039842003000300008&lng=en&nrm=iso&tlng=en 4. Lapeire C. Semiologia Radiográfica nos Pequenos Animais. Tradução de Lauro Santos Blandy. São Paulo: Andrei Editora; 1986. 5. Kiefer J, Kiefer I. Ludewig E, Gosh D, Oechtering G. Radiation hazards to patients in diagnostic radiology: considerations on computed tomography in dogs and cats. Proceedings of 15th Congress of the International Veterinary Radiology Association, Búzios, Rio de Janeiro, Brasil, 2009. Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):71-4. Controle de Qualidade de EC-99mTc: determinação de pureza radioquímica e investigação da influência de impurezas na biodistribuição Quality Control of 99mTc-EC: Determination of radiochemical purity and investigation of the influence of impurities in the biodistribution Érika V. Almeida, Elisiane G. Monteiro, Edson V. Alves, Natanael G. da Silva, Neuza T. O. Fukumori, Marycel F. de Barboza, Jair Mengatti, Margareth M. N. Matsuda e Marina B. A. Vasconcellos Diretoria de Radiofarmácia (DIRF) do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares da Comissão Nacional de Energia Nuclear (IPEN-CNEN) – São Paulo (SP), Brasil Resumo Radiofármacos de tecnécio meta-estável (99mTc) são os mais utilizados para a obtenção de imagens em Medicina Nuclear. L,L-etilenodicisteína (EC) marcado com 99mTc (EC-99mTc) é usado para avaliar funções renais. O objetivo deste estudo foi determinar a pureza radioquímica (PRq) do EC-99mTc por cromatografia em papel (CP) e cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE), investigar a influência de impurezas na qualidade das imagens cintilográficas e na biodistribuição em ratos. A determinação da PRq do EC-99mTc por CP foi desenvolvida utilizando-se papel Whatman 1MM e 3MM. A fase móvel utilizada foi acetona e ácido acético 0,5 mol L-1 para determinação de 99mTcO4- e 99mTcO2, respectivamente. As análises por CLAE foram executadas em equipamento Shimadzu (LC-20AT Prominence). A fase móvel foi constituída por tampão fosfato 12,5 mmol L-1 e etanol. Utilizou-se fluxo de 1,0 mL min-1 e gradiente linear. Os ensaios biológicos foram desenvolvidos em ratos Wistar (250 g) obtidos do biotério do IPEN-CNEN/ SP. Injetou-se intravenosamente 0,370 MBq mL-1 de EC-99mTc. Os resultados das análises por CP Whatman 1MM e 3MM mostraram PRq do EC99m Tc de até (98,76 ± 0,29)% e (98,70 ± 0,31)%, respectivamente. Os tempos de retenção para 99mTcO2 99mTcO4– e EC-99mTc foram 3,04; 5,08 e 10,06 minutos, respectivamente, para as análises por CLAE e a eficiência máxima de marcação foi (98,99 ± 0,04)% aos 30 minutos. EC-99mTc se distribui rapidamente no compartimento plasmático e os estudos de biodistribuição mostraram distribuição normal de dose injetada nos órgãos especificados. Ambos os métodos, CP e CLAE, podem ser utilizados na rotina do controle de qualidade para determinação de PRq por serem precisos e rápidos. Os controles de qualidade biológicos mostraram a aplicação para exame diagnóstico da dinâmica da função renal. Palavras-chave: Medicina nuclear, EC-99mTc, radiofármaco, pureza radioquímica, biodistribuição. Abstract Radiopharmaceuticals of meta-stable technetium (99mTc) are the most frequently used to obtain images in Nuclear Medicine. L, L-etilenodicisteína (EC) labeled with 99mTc (99mTc-EC) is used to assess kidneys function. The aim of this study was to determine the radiochemical purity (RCP) of 99mTcEC by paper chromatography (PC) and high performance liquid chromatography (HPLC), to investigate the influence of impurities on the quality of scintigraphy images and biodistribution in rats. The determination of the RCP of 99mTc-EC (99mTc-EC RCP) by PC was developed in Whatman 1MM and 3MM chromatographic paper. The mobile phase used was acetone and 0.5 mol L-1 acetic acid for determination of 99mTcO4- and 99mTcO2, respectively. The analyses by HPLC were carried out in Shimadzu equipment (Prominence LC-20AT). The mobile phase was composed of 12.5 mmol L-1 phosphate buffer and ethanol. 1.0 mL min-1 flow rate and linear gradient were used. The biological tests were performed by injection of 0.370 MBq mL-1 99mTc-EC intravenously in Wistar rats (250 g) provided by the Animal Facility of IPEN-CNEN/SP. The results of analyses by Whatman 1MM and 3MM PC showed RCP of 99mTc-EC up to (98.76 ± 0.29)% and (98.70 ± 0.31), respectively. Retention times of 99mTcO2, 99mTcO4- and 99mTc-EC were 3.04, 5.08 and 10.06 minutes, respectively, in HPLC analyses and the maximum labeling efficiency of 99mTc-EC was (98.99 ± 0.04)% at 30 minutes. Tc99m-EC is rapidly reaches the plasma compartment and the biodistribution studies showed normal distribution of the injected dose in specified organs. Both PC and HPLC methods can be used in the routine quality control for determination of RCP as they showed to be accurate and fast. The biological quality controls showed application for diagnostic examination of the renal function dynamics. Keywords: Nuclear medicine, 99mTc-EC, radiopharmaceutical, radiochemical purity, biodistribution. Correspondência: Diretoria de Radiofarmácia (DIRF) – IPEN-CNEN/SP – Avenida Professor Lineu Prestes 2242 – CEP: 05508-000 – São Paulo (SP), Brasil – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 71 Almeida ÉV, Monteiro EG, Alves EV, Silva NG, Fukumori NTO, Barboza MF, Mengatti J, Matsuda MMN, Vasconcellos MBA Introdução Radiofármacos de tecnécio meta-estável (99mTc) são os mais utilizados para a obtenção de imagens em Medicina Nuclear. 99mTc é um radioisótopo emissor de radiação gama (g) pura com fótons de 140 keV, meia-vida física de 6 horas e possibilidade de vários estados de oxidação. Em solução aquosa, o 99mTc(VII) e 99mTc(IV) são os mais estáveis1,2. O dímero L,L-etilenodicisteína (EC) marcado com 99m Tc na forma pentavalente [99mTc(V)EC] pode ser obtido pela adição de pertecnetato de sódio (Na99mTcO4) comercialmente disponível em geradores de molibdênio/ tecnécio (99Mo/99mTc). A Figura 1 apresenta a estrutura do radiofármaco EC-99mTc, usado para avaliar algumas funções renais como filtração glomerular, secreção e reabsorção tubular3. A reação de complexação do 99mTc com (EC) pode não ser eficiente, em conseqüência da qualidade do eluído, de componentes do reagente liofilizado (RL) ou de procedimentos inadequados utilizados na marcação. Nestes casos pode ocorrer a formação de impurezas radioquímicas dentre as quais se destacam pertecnetato ( 99mTcO 4-) decorrente da não complexação e óxido de tecnécio ( 99mTcO 2). A determinação de impurezas radioquímicas é essencial para comprovar a qualidade do produto4. Algumas técnicas cromatográficas têm sido utilizadas para determinar a PRq do EC-99mTc. Almeida et al. desenvolveram um método por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) para determinação de algumas impurezas do EC-99mTc5. O objetivo deste estudo foi determinar a PRq do EC99m Tc por cromatografia em papel (CP) e CLAE, investigar a influência de impurezas na qualidade das imagens cintilográficas e na biodistribuição em ratos. Material e métodos Reagentes RL de EC e Na99mTcO 4 foram obtidos do IPEN-CNEN/ SP (Brasil). Acetona, ácido acético, etanol e outros reagentes utilizados foram obtidos da Merck (Alemanha). A água foi purificada em sistema Milli-RX da Millipore (França). O Tc HOOC S N HN S Figura 1. Estrutura de L,L-EC-99mTc [3]. 72 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):71-4. COOH Cromatografia em papel A determinação da pureza radioquímica do EC-99mTc por CP foi desenvolvida utilizando-se papel Whatman (17,5 x 1,5 cm) 1MM e 3MM. A fase móvel aplicada foi acetona (P.A.) e ácido acético 0,5 mol L-1 para determinação de 99mTcO4- e 99mTcO2, respectivamente. A cromatografia foi desenvolvida 30, 60 e 240 minutos após a marcação. Após a secagem, as fitas foram cortadas em segmentos de 1 cm, colocados em tubos e levados ao contador gama (Auto-Gamma Cobra II, 5002 Series, Perkin Elmer). A porcentagem de impureza foi calculada considerando o Rf (fator de retardamento) do 99mTcO4- (Rf 1,0) e do 99mTcO2 (Rf 0,0), conforme Equações 1 e 2, respectivamente. 99m TcO −4 (% ) = R adioatividade R f 1, 0 R adioatividade total (1) 99m TcO 2 (% ) = R adioatividade R f 0, 0 R adioatividade total (2) A PRq foi obtida através da Equação 3. % PRq = 100 - (% 99m TcO4-) - (%99mTcO2) (3) Cromatografia líquida de alta eficiência A análise foi executada em equipamento de cromatografia líquida de alta eficiência Shimadzu, modelo LC-20AT Prominence (Japão), composto por duas bombas, degaseificador modelo DGU-20A 5, injetor automático de amostras modelo SIL-20A, coluna cromatográfica de fase reversa Shim-Pack VP-ODS (250 x 4,6 mm, 5 μm), detector UV-visível modelo SPDM20A e detector de radioatividade Bioscan modelo B-FC-3300. A fase móvel foi constituída por tampão fosfato 12,5 mmol L-1 (fase aquosa) (pH 2,50) e etanol (P.A.) (fase orgânica). Utilizou-se fluxo de 1,0 mL min-1 e gradiente linear (100% fase aquosa a 100% fase orgânica) durante 15 minutos. 20 µL de amostra foram injetados. Todas as amostras foram previamente filtradas em unidades filtrantes de tamanho de poro de 0,22 µm. (Millipore). As análises foram realizadas em temperatura ambiente e em triplicatas. A porcentagem de PRq foi calculada utilizando-se o programa LCSolutions da Shimadzu. Imagens cintilográficas e biodistribuição Os ensaios biológicos foram desenvolvidos em ratos Wistar (250 g) obtidos do biotério do IPEN-CNEN/SP. Injetou-se intravenosamente 0,370 MBq mL-1 de EC-99mTc. Os animais foram mantidos anestesiados e as imagens cintilográficas foram obtidas em gama câmara (Gamma Controle de Qualidade de EC-99mTc: determinação de pureza radioquímica e investigação da influência de impurezas na biodistribuição Câmara Nucline TH 22 Mediso) após 30 minutos. Os animais foram sacrificados depois de 1 hora e a atividade dos órgãos medidos em contador gama Capintec. Os resultados foram expressos como % de dose injetada (%DI) nos diferentes órgãos. Discussão e conclusões A fase estacionária comumente usada para análise de pureza radioquímica (PRq) do EC-99mTc é a ITLCSG (Instant Thin Layer Chromatography- Silica Gel). Entretanto o fornecedor (Pall Corporation) não produzirá mais este material, sendo assim necessário o desenvolvimento de um método alternativo para o controle de qualidade. Os resultados das análises por CP 1MM e 3MM (Tabela 1) mostraram PRq do EC-99mTc de até (98,76 ± 0,29)% e (98,70 ± 0,31)%, respectivamente. Ambas as fases estacionárias têm-se mostrado eficientes no processo de separação do produto/impureza e não foi observada diferença significativa entre 1MM e 3MM. A análise por CLAE (Figura 2) apresentou espécies com tempos de retenção em 3,04; 5,08 e 10,06 minutos, correspondentes ao 99mTcO2, 99mTcO4– e EC-99mTc, respectivamente. A espécie em 11,68 minutos não foi identificada. Os resultados revelaram que EC-99mTc apresentou eficiência máxima de marcação de (98,99 ± 0,04)% aos 30 minutos enquanto que a eficiência diminuiu para (98,56 ± 0,05)% após 240 minutos da marcação. Tabela 1. Comparação da média e do desvio-padrão da %PRq de EC-99mTc, %99mTcO4– e %99mTcO2 obtida por CP. 1MM 3MM n=3 Tempo (min) 30 60 240 30 60 240 10,06 cpm (mV) % PRq %99mTcO4 - %99mTcO2 98,36 ± 0,43 98,76 ± 0,29 98,34 ± 0,35 98,56 ± 0,29 98,70 ± 0,31 98,25 ± 0,33 0,48 ± 0,22 0,28 ± 0,26 0,44 ± 0,11 0,13 ± 0,03 0,22 ± 0,06 0,23 ± 0,15 1,17 ± 0,24 0,96 ± 0,04 1,22 ± 0,31 1,32 ± 0,29 1,09 ± 0,32 1,52 ± 0,22 40 0 3 6 9 Tempo de Retenção (min) 11,68 5,08 20 3,04 Os valores de PRq e das impurezas 99mTcO4– e 99mTcO2 obtidos na análise por CP em papel Whatman 1MM e 3MM, 30, 60 e 240 minutos após a marcação estão apresentados na Tabela 1. O cromatograma do EC-99mTc após 30 minutos de marcação na concentração radioativa de 55 MBq mL-1 está apresentado na Figura 2. A Figura 3 apresenta a imagem cintilográfica para EC99m Tc em rato Wistar. A biodistribuição do EC-99mTc em diferentes órgãos (%DI) está apresentada na Figura 4. 12 15 Figura 2. Cromatograma de EC-99mTc. Coluna Shim-Pack VPODS (250 x 4,6 mm; 5 μm); fase móvel: Na2HPO4 (0,0125 mol L-1): C2H5OH, gradiente linear: 100% fase aquosa a 100% fase orgânica. Fluxo da fase móvel: 1,0 mL min-1; volume de amostra: 20 μL. Figura 3. Imagem cintilográfica para EC-99mTc em rato Wistar. 100 Rato 1 Rato 2 Rato 3 80 % DOSE INJETADA Resultados Papel 60 60 40 20 0 Bexiga Carcaça Fígado ÓRGÃOS Rins Figura 4. Biodistribuição de EC-99mTc em ratos Wistar. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):71-4. 73 Almeida ÉV, Monteiro EG, Alves EV, Silva NG, Fukumori NTO, Barboza MF, Mengatti J, Matsuda MMN, Vasconcellos MBA EC-99mTc se distribuiu rapidamente no compartimento plasmático e a imagem cintilográfica (Figura 3) mostrou captação renal e eliminação via rins-ureteres-bexiga. A porcentagem média de dose injetada (Figura 4) foi superior a 96% nos rins e bexiga, muito superior ao limite especificado pelo IPEN-CNEN/SP (rins + bexiga ≥ 80%). A captação no fígado foi 2,55% da dose injetada também abaixo do limite especificado (≤ 5%). Não foi observada captação nas glândulas salivares e glândula tireóide o que poderia ocorrer na presença de quantidade significativa de pertecnetato livre. Os estudos de biodistribuição (Figura 4) mostraram distribuição normal de dose injetada nos órgãos especificados. Neste trabalho foram feitos o controle de qualidade radioquímico utilizando as técnicas CP e CLAE e o controle biológico (imagem cintilográfica e biodistribuição) do EC99m Tc produzido pelo IPEN-CNEN/SP. Ambos os métodos, CP e CLAE, podem ser utilizados na rotina do controle de qualidade para determinação de PRq por serem precisos e rápidos. Os controles de qualidade biológicos mostraram a aplicação para exame diagnóstico da dinâmica da função renal. 74 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):71-4. Agradecimentos Ao IPEN e à DIRF pela infraestrutura, ao Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro concedido a Érika V. Almeida. Referências 1. Owunwanne A, Patel M, Sadek S. The handbook of radiopharmaceuticals. New York: Chapman & Hallmedical; 1995. 2. Oliveira R, Santos D, Ferreira D, Coelho PMB, Veiga F. Preparações radiofarmacêuticas e suas aplicações. Braz J Pharm Scien 2006; 42:151-65. 3. Mang’era KO, Bellande E, Pasqualini R, verbruggen A. Comparison of reversed phase and reversed phase ion pair high performance liquid chromatography for analysis of TcO and TcN complexes of L,L-ethylene dicysteine di-ethylester and its acid analogues. J Pharm Biomed Anal 1996; 14: 1241-4. 4. Marques FLN, Okamoto MRY, Buchpiguel CA. Alguns aspectos sobre geradores e radiofármacos de tecnécio-99m e seus controles de qualidades. Rev Bras Cienc Farm 2001; 34(4):233–9. 5. Almeida EV, Fukumori NTO, Mengatti J, Silva CPG, Matsuda MMN. Development and validation of 99mTc ethylene dicysteine and EC determination method by HPLC. J Nucl Med Mol Imag 2008; 52:68-9. Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):75-8. Correção de Atenuação em Aquisições Renais com 99mTc - DMSA: comparação entre os métodos de Raynaud e da Média Geométrica Attenuation Correction for Renal Scintigraphy with 99m Tc - DMSA: analysis between Raynaud and the Geometric Mean methods Jackson Argenta, Cláudia R. Brambilla e Ana Maria M. da Silva Núcleo de Pesquisa em Imagens Médicas da Faculdade de Física da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUC/RS) - Porto Alegre (RS), Brasil Resumo A avaliação do índice de função renal (IF) exige a correção de atenuação para tecidos moles. Este trabalho investiga o impacto sobre o IF, quando a correção de atenuação é aplicada utilizando o método de Raynaud e o método da Média Geométrica em cintilografia renal plana, utilizando imagens posteriores e anteriores. O estudo foi realizado com imagens obtidas por simulação Monte Carlo dos cinco modelos voxel da família GSF com diferentes captações relativas em cada rim, desde normal (50% -50%) até patologias extremas (10%-90%). Os resultados mostraram que o método de Raynaud corrige de forma mais eficiente os casos em que a profundidade renal é próxima ao valor do modelo padrão. O método da Média Geométrica apresentou resultados semelhantes aos do método de Raynaud para os modelos Baby, Child e Golem. Nos modelos Helga e Donna, os erros ficaram acima de 20%, aumentando com a captação relativa. Novos estudos devem ser realizados para avaliar influências do modelo padrão nos métodos para correção de atenuação. Palavras-chave: Correção de atenuação, quantificação, índice de função renal, cintilografia, medicina nuclear. Abstract The evaluation of the index of renal function (IF) requires soft-tissue attenuation correction. This paper investigates the impact over the IF, when attenuation correction is applied using the Raynaud method and the Geometric Mean method in renal planar scintigraphy, using posterior and anterior views. The study was conducted with Monte Carlo simulated images of five GSF family voxel phantoms with different relative uptakes in each kidney from normal (50% -50%) to pathological (10% -90%). The results showed that Raynaud method corrects more efficiently the cases where the renal depth is close to the value of the standard phantom. The geometric mean method showed similar results to the Raynaud method for Baby, Child and Golem. For Helga and Donna models, the errors were above 20%, increasing with relative uptake. Further studies should be conducted to assess the influences of the standard phantom in the correcting attenuation methods. Keywords: Attenuation correction, quantification, index of renal function, scintigraphy, nuclear medicine. Introdução O índice de função renal (IF) representa uma importante informação para detecção de patologias renais. Este índice é dado pelo percentual do radiofármaco 99mTc–DMSA absorvido pelo rim, em relação ao valor injetado no paciente. Um método utilizado para obtenção do IF é através do delineamento de regiões de interesse (ROI) sobre os rins e fundo na cintilografia renal plana. Essas regiões são comparadas com a aquisição de um phantom ou modelo padrão1. Entretanto, devido à profundidade dos rins, correções quanto à atenuação de tecidos moles devem ser realizadas. Em aquisições planas da região posterior do paciente, a correção de atenuação pode ser feita através do método de Raynaud, multiplicando o IF pelo fator eμd, onde μ é o coeficiente de atenuação para tecidos moles (0,12 cm-1)2 e d é a profundidade renal (PR), sendo esta medida realizada a partir do centro de cada rim até a porção posterior da Correspondência: Ana Maria Marques da Silva, Faculdade de Física - Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS) – Av. Ipiranga, 6681, Pr. 10, CEP: 90619-900 – Porto Alegre (RS), Brasil – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 75 Argenta, J., Brambilla, C.R. e Marques da Silva, A.M. pele na região dorsal. Comumente a PR é estimada através da fórmula empírica proposta por Raynaud3. Outro método para correção de atenuação é feito através da Média Geométrica (MG) entre as aquisições planas, anterior e posterior, do paciente sem exigir informações de PR. Neste método, a MG das contagens obtidas das ROIs nas imagens anteriores e posteriores é multiplicada pelo fator eμL/2, onde L é a espessura do paciente4. O objetivo deste trabalho foi investigar o impacto sobre os valores de IF, quando a correção de atenuação é aplicada utilizando os métodos de Raynaud e da Média Geométrica em imagens simuladas de Monte Carlo de modelos antropomórficos da família GSF voxel phantoms5. Material e métodos Para reproduzir as características de exames de cintilografia renal, simulações de Monte Carlo utilizando o programa SimSET6 foram realizadas para os modelos da família GSF (Helga, Donna, Golem, Child e Baby)5. Estes modelos são representações do corpo humano baseados em voxels, de diferentes características anatômicas, idades e sexo. Para cada modelo, atribuíram-se diferentes atividades aos rins, de forma a reproduzir situações de captações relativas normais (50%-50%) até patologias extremas (10%90%). As aquisições planas nas projeções anterior e posterior foram simuladas com matrizes de 128 X 128 pixels (pixel=0,3125 cm), utilizando colimador LEHR, cristal de NaI(Tl), resolução energética de 10% e janela de energia de 20% para um campo de visão (FOV) de 40x40 cm2. Análise dos dados As imagens foram analisadas com o programa DMSAQuant7,8, baseado no método de Raynaud (sem correção de atenuação) para o cálculo do IF. Neste método, um recipiente com valor conhecido de atividade é inserido em um simulador de acrílico, denominado padrão, sendo realizada uma aquisição plana. Na aquisição da imagem plana da região posterior do paciente são utilizados os mesmos parâmetros da aquisição com o simulador. A partir do delineamento de regiões de interesse (ROI) sobre os rins e fundo, determina-se o número de contagens em relação às contagens obtidas com o simulador1. Foram utilizadas duas formas de delimitação de ROI automáticas (espelhado e com subtração das contagens Tabela 1. PR conhecida para o rim esquerdo, rim direito e calculada segundo a fórmula empírica de Raynaud3 Modelo Baby Child Helga Donna Golem 76 Profundidade Renal (cm) Rim esquerdo Rim direito Raynaud 2,34 2,21 2,55 4,18 3,98 3,84 8,52 7,88 8,65 8,57 8,20 8,85 6,25 6,57 6,23 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):75-8. de fundo)9. A Equação 1 mostra como é realizado o cálculo do IF: IF = N p − N p.f Ns − Ns.f (1) × 100% onde, Np são as contagens do rim, Npf são as contagens de fundo do rim, Ns são as contagens do padrão e Ns.f são as contagens de fundo do padrão. Segundo o método de Raynaud, para realizar a correção de atenuação (fora do programa DMSA-Quant), os valores de IF são multiplicados pelo fator de correção eµd para as contagens dos rins e do padrão. As PR dos modelos são determinadas a partir da fórmula empírica de Raynaud (Equação 2): (2) d = a + (b × W ) + (c × H) + (e × espessura) onde d é a profundidade renal PR em centímetros, W é a massa do paciente em kg, H é a altura em metros e a, b e c são constantes de acordo com a idade dos pacientes. O último termo da expressão é utilizado para pacientes obesos, sendo e=0,267 e a espessura é a menor medida entre a região anterior e posterior na altura do umbigo3. Os resultados são apresentados na Tabela 1. Para correção de atenuação do IF através do método da MG, a Equação 3 foi utilizada: IF = (N p. a − N p. a.f ) × (N p. p − N p. p.f ) × e (Ns − Ns.f ) × e(Pr . μ ) (μ. L 2 ) (3) × 100% Npa são as contagens do rim na imagem anterior, Npaf são as contagens de fundo do rim na imagem anterior, Npp são as contagens do rim na imagem posterior e Nppf são as contagens de fundo do rim na imagem posterior. eµ(L/2) é o fator de correção para atenuação do paciente e e(PR.μ) é o fator de correção de atenuação para o padrão. L é a espessura do corpo do paciente e a PR é a profundidade “renal” do modelo padrão, no qual foi utilizado o mesmo padrão do método de Raynaud. Para obter o valor de L em cada modelo, foram realizadas medidas da espessura do corpo nos cortes em que os rins estavam presentes, seguindo a linha das vértebras. Foi utilizado o valor médio das medidas. Em ambas as correções o valor de μ utilizado foi 0,12 cm-1.2 Os resultados foram comparados utilizando a Equação 4 para determinar os erros percentuais sobre os IF, corrigidos pelos dois métodos, em relação aos IF. %Erro = IF _ real − IF _ corrigido × 100% IF _ real (4) Os valores reais do IF são conhecidos, pois a atividade que foi inserida nos modelos e no padrão é conhecida da simulação. Correção de Atenuação em Aquisições Renais com 99mTc - DMSA: comparação entre os métodos de Raynaud e da Média Geométrica Resultados As imagens simuladas para o modelo Child são apresentadas nas Figuras 1 e 2. A imagem simulada do modelo padrão utilizado para o cálculo do IF é apresentada na Figura 3. Os erros sobre o IF para diferentes captações relativas são mostrados, para ambos os métodos de correção (a) (b) (c) de atenuação nas figuras que seguem. Os resultados para correção de atenuação nos modelos Baby (Figura 4), Child (Figura 5) e Golem (Figura 6), mostraram pouca diferença entre os métodos, sendo no Child mais eficiente o método de MG. Os resultados para os modelos Donna (Figura 7) e Helga (Figura 8) mostraram grande variação entre os métodos. Os erros para o método da MG mantiveram-se acima de 20% em todas as captações relativas. Figura 3. Aquisição do padrão (modelo de Raynaud). Erro de IF x Captação relativa MG rim esq Raynaud rim esq 60.000 40.000 20.000 (d) (e) (f) Erro IF 0.000 -20.000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -40.000 -60.000 -80.000 -100.000 Captação relativa (%) (g) (h) (i) Figura 1. Captação relativa para o modelo Child na projeção posterior: (a) 90% - 10%; (b) 80% - 20%; (c) 70% - 30%; (d) 60% - 40%; (e) 50% - 50%; (f) 40% - 60%; (g) 30% - 70%; (h) 20% - 80%; (i) 10% - 90%. Figura 4. Erros do IF versus captação relativa utilizando os métodos de Raynaud e MG para correção de atenuação do rim esquerdo no modelo Baby. Erro de IF x Captação relativa MG rim esq Raynaud rim esq 60.000 40.000 Erro IF 20.000 0.000 -20.000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -40.000 -60.000 -80.000 -100.000 (a) (b) (c) Captação relativa (%) Figura 5. Erros do IF versus captação relativa utilizando os métodos de Raynaud e MG para correção de atenuação do rim esquerdo no modelo Child. Erro de IF x Captação relativa (d) (e) MG rim esq Raynaud rim esq 60.000 (f) 40.000 20.000 Erro IF 0.000 -20.000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -40.000 -60.000 (g) (h) (i) Figura 2. Captação relativa para o modelo Child na projeção anterior: (a) 90% - 10%; (b) 80% - 20%; (c) 70% - 30%; (d) 60% - 40%; (e) 50% - 50%; (f) 40% - 60%; (g) 30% - 70%; (h) 20% - 80%; (i) 10% - 90%. -80.000 -100.000 Captação relativa (%) Figura 6. Erros do IF versus captação relativa utilizando os métodos de Raynaud e MG para correção de atenuação do rim esquerdo no modelo Golem. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):75-8. 77 Argenta, J., Brambilla, C.R. e Marques da Silva, A.M. Erro de IF x Captação relativa MG rim dir Raynaud rim dir 60.000 40.000 Erro IF 20.000 0.000 -20.000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -40.000 -60.000 -80.000 -100.000 Captação relativ a (%) Figura 7. Erros do IF versus captação relativa utilizando os métodos de Raynaud e MG para correção de atenuação do rim esquerdo no modelo Donna. Erro de IF x Captação relativa MG rim dir Raynaud rim dir 60.000 40.000 A influência do μ nos resultados também não pode ser descartada. No entanto, não existe na literatura2 um consenso sobre qual o melhor valor a ser utilizado. Também destacamos a possibilidade de flutuação sobre o IF devido à dificuldade de determinação da largura L na altura dos rins dos modelos, sendo esta uma variável decisiva na correção de atenuação. Neste trabalho foi utilizado como modelo padrão para as contagens da atividade total, o modelo do padrão de Raynaud para ambos os métodos. Sugerimos a realização de novos trabalhos com o padrão de “seringa” a 30 cm do detector para o método da MG. Novos estudos também devem ser realizados para avaliar influências em relação à geometria do padrão de Raynaud, pois este pode nem sempre representar corretamente o espalhamento e atenuação que ocorrem em aquisições cintilográficas renais em humanos. 20.000 Erro IF 0.000 -20.000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -40.000 -60.000 -80.000 -100.000 Captação relativa (%) Figura 8. Erros do IF versus captação relativa utilizando os métodos de Raynaud e MG para correção de atenuação do rim esquerdo no modelo Helga. Discussão e conclusões Para a detecção de patologias renais através do IF é extremamente importante que os valores quantificados sejam confiáveis. Diferentes métodos são utilizados para correção de atenuação representando uma grande variação sobre os valores de IF quando empregados. O método de Raynaud produziu resultados com pequenas flutuações em todos os modelos, tendo os menores erros no Baby, Donna e Helga. O método da MG teve seus melhores resultados no modelo Child, sendo o erro menor comparado ao Raynaud. Nos modelos Helga e Donna, os erros ficaram acima de 20%, aumentando com a captação relativa. Considerando que estes modelos apresentam diferenças anatômicas peculiares em relação aos demais (peso, diferenças de PR entre os rins e diferentes geometrias de fonte renal e obesidade), este resultado é um forte indicador de que outros fatores para correção de atenuação para esses modelos (biotipo de pacientes) devem ser avaliados com maior cuidado. 78 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):75-8. Agradecimentos Este trabalho teve o apoio do Fondo Regional para La Innovación Digital de La America Latina y Caribe (FRIDA) e FINEP. Referências 1. Raynaud C, Jacquot C, Freeman LM. Measuring renal uptake of 197HgCl2 by gamma camera. Radiology. 1974;110(2):413-7. 2. Hindié E, Buvat I, Jeanguillaume C, Prigent A, Galle P. Quantitation in planar renal scintigraphy: which m value should be used. Eur J Nucl Med. 1999;26(12):1610-3. 3. Raynaud C, Knipper M. The Problem of Renal Depth. In: Raynaud C, editor. The renal uptake of radioactive mercury (197HgCl2), Springfield: Charles C Thomas; 1976. p. 62-4. 4. Jönsson L, Ljungberg M, Strand SE. Evaluation of Accuracy in Activity Calculations for the Conjugate View Method from Monte Carlo Simulated Scintillation Camera Images Using Experimental Data in an Anthropomorphic Phantom. J Nucl Med. 2005;46(10):1679-86. 5. Petoussi-Henss N, Zanki M, Fill U, Regulla D. The GSF family voxel phantoms. Phys Med Biol. 2002;47(1):89-106. 6. SimSET (Simulation System for Emission Tomography). Division of Nuclear Medicine of University of Washington. [homepage da internet]. [citado 16 mar 2010]. Disponível em: http://depts.washington.edu/simset/html/ simset_main.html. 7. Radiopharmacus. DMSAQuant. Porto Alegre, 2007. Arquivo eletrônico. 8. Brambilla CR. Impacto da Determinação da Profundidade Renal na Quantificação Renal Absoluta em Estudos de Cintilografia Plana com 99mTc-DMSA. 117f. Monografia (Graduação em Física Médica) – Faculdade de Física, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2007. Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):79-82. Propriedades magnéticas e biocompatíveis de nanocompósitos para utilização em magneto-hipertermia Biocompatible and magnetic properties of nanocomposites for use in magnetohyperthermy Vinícius F. Castro1, Juliana Celestino1, Alvaro A. A. de Queiroz1 e Filiberto G. Garcia2 Instituto de Ciências Exatas do Departamento de Física e Química da Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) – Itajubá (MG), Brasil 2 Instituto de Ciência Exatas do Departamento de Física e Química da UNIFEI – Itabira (MG), Brasil 1 Resumo Neste trabalho, estudou-se as propriedades magnéticas e biocompatíveis de nanoesferas transportadoras de partículas magnéticas de Y3Fe5-xAlxO12 (YFeAl) baseadas no polímero diglicidil éter do bisfenol-A (DGEBA). Partículas magnéticas de YFeAl monodispersas e com tamanho igual a 15 nm foram preparadas através da decomposição térmica de complexos de ferro (III) na presença de oleilamina [6]. Nanoesferas contendo partículas policristalinas de Y3Fe5-xAlxO12 (0≤x≤2) foram preparadas utilizando a técnica de polimerização em dispersão utilizando o dietilenotriamina (DETA) como agente endurecedor. As nanoesferas sintetizadas foram caracterizadas por difração de raios-X (XRD) e microscopia eletrônica de varredura (SEM). A temperatura Curie (TC) foi determinada a partir das medições de susceptibilidade magnética no intervalo de 223-573 K. A microscopia eletrônica de varredura (MEV) indicou uma distribuição monomodal de tamanho. No intervalo de composição 1.5≤x≤1.8, as nanoesferas exibiram Tc modulável no intervalo de interesse da hipertermia. A fim de avaliar a possível influência das nanoesferas de DGEBA/YFeAl nas células de mamíferos, testes de citotoxicidade foram realizados. Foi observado que as nanoesferas não afetaram a viabilidade das células ou a taxa de crescimento da cultura celular. Esses resultados sugerem que as nanopartículas de Y3Fe5-xAlxO12 encapsuladas pelo sistema DGEBA/DETA representam uma alternativa promissora no tratamento de tumores malignos através da magneto-hipertermia. Palavras-chave: Magneto-hipertermia, DGEBA, nanoesferas, câncer. Abstract In this work the biocompatible and magnetic properties of Y3Fe5-xAlxO12 (YFeAl) nanospheres carriers based on diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) is presented. Monodisperse magnetic particles of YFeAl and 15 nm on size distribution of were prepared by thermal decomposition of complexes of iron (III) in the presence of oleilamine. Nanospheres containing particles of polycrystalline Y3Fe5-xAlxO12 (0 ≤ x ≤ 2) were prepared using the dispersion polymerization technique using Diethylenetriamine (DETA) as a hardener. The synthesized microspheres were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The Curie temperature (Tc) was determined from measurements of magnetic susceptibility in the range of 223-573 K. The scanning electron microscopy (SEM) indicated a monomodal distribution in size of the synthesized nanospheres. In the composition range of 1.5 ≤ x ≤ 1.8, the nanospheres exhibited Tc scalable in the range of magnetohyperthermy interests. To assess the possible influence of nanospheres of DGEBA / YFeAl in mammalian cells, cytotoxicity tests were performed. It was observed that the nanospheres did not affect the viability of cells or the growth rate of cell culture. These results suggest that nanoparticles of Y3Fe5-xAlxO12 encapsulated by the system DGEBA/DETA represent a promising alternative for the treatment of malignant tumors by magnetohyperthermia. Keywords: Magnetohyperthermy, DGEBA, nanospheres, cancer. Introdução O câncer representa atualmente uma das principais causas da mortalidade entre os seres humanos, representando mais do que uma simples enfermidade. Apesar de todo o avanço alcançado na medicina clínica preventiva, o câncer continua sendo uma ameaça oculta, de surgimento inesperado e pronunciada. A evolução da medicina ao longo do último século promoveu uma importante alteração neste prognóstico desfavorável, permitindo que um grande percentual dos portadores de câncer tenha atualmente a oportunidade da cura ou significativo aumento de qualidade de vida como uma realidade significativamente viável. A acentuada redução da mortalidade por câncer no presente século é conseqüência de vários fatores, Correspondência: Vinícius Fortes de Castro – Rua Guilhermina Rennó da Silva, 51, São Vicente – CEP: 37502-024 – Itajubá (MG), Brasil – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 79 Castro VF, Celestino J, de Queiroz AAA e Garcia FG destacando-se o desenvolvimento de políticas de saúde que visam à prevenção, avanço alcançado nos métodos de diagnóstico e métodos cirúrgicos e o desenvolvimento de novos agentes quimioterápicos vetorizados. Atualmente são cinco as modalidades convencionais empregadas no tratamento do câncer: cirurgia, quimioterapia, radioterapia, hipertermia e imunoterapia1. Destas cinco modalidades, nenhuma delas por si só, consegue a erradicação total do tecido tumoral maligno. A hipertermia pertence à lista dos tratamentos convencionais aceitos pela “American Cancer Society” e continua sendo uma das mais poderosas modalidades terapêuticas para melhorar a evolução dos pacientes com câncer2. Também é um dos melhores coadjuvantes que aumenta a eficácia da radioterapia e da quimioterapia. Neste sentido, os experimentos clínicos de Fase III comprovam que quando a hipertermia foi associada com a radioterapia, ela melhorou o controle local do melanoma de 28% para 46% em 2 anos de acompanhamento; provocou aumento da remissão total do câncer recorrente de mama de 38% para 60%, aumentou o índice de remissão total do câncer avançado cervical de 57% para 82% e no glioblastoma multiforme aumentou a sobrevida de 2 anos de 15% para 31%3. A hipertermia é um procedimento terapêutico empregado para proporcionar aumento de temperatura em uma região do corpo que esteja afetada por uma neoplasia, com o objetivo de causar a lise das células cancerosas. Seu princípio de funcionamento se baseia no fato de que a temperatura de 41°C a 42°C tem o efeito de destruir diretamente as células tumorais, uma vez que estas são menos resistentes a aumentos bruscos de temperatura do que as células normais circunvizinhas. O aumento de temperatura requerido pela hipertermia pode ser atingido, entre outros métodos, pelo uso de nanopartículas magnéticas, processo este conhecido com o nome de magneto-hipertermia ou magnetotermocitólise4. Quando submetidas à ação de um campo magnético externo de freqüência alternada, as nanopartículas magnéticas são aquecidas. O uso de nanopartículas magnéticas (monodomínios magnéticos) é preferível as micropartículas (multidomínios magnéticos) uma vez que nanopartículas magnéticas respondem mais eficientemente a campos externos absorvendo destes mais energia. De maneira geral, nanopartículas magnéticas têm recebido atenção especial para a utilização no tratamento do câncer pela técnica hipertêmica por poderem ser guiadas ou localizadas em um alvo específico por campos magnéticos externos. A possibilidade da vetorização de nanopartículas magnéticas através de gradientes de campos magnéticos levou ao desenvolvimento de várias técnicas de encapsulamento de partículas magnéticas de forma que os sistemas obtidos se tornassem efetivos carreadores de drogas com especificidade tumoral para a liberação controlada de agentes quimioterápicos. Um pré-requisito importante para a utilização clínica da magneto-hipertermia é que as nanopartículas devem apresentar baixos níveis de toxicidade, assim como um elevado 80 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):79-82. momento de saturação que permita minimizar as doses requeridas. Neste contexto, cerâmicas com composição do tipo Ítria-Ferro-Alumínio (YFeAl) aparecem como um candidato promissor, visto que possuem uma alta temperatura de Curie (TC) e elevado momento de saturação5. Entretanto, tais partículas possuem elevada citotoxicidade, sendo necessário desenvolverem-se técnicas de encapsulamento que imputem às nanopartículas ferromagnéticas as propriedades biocompatíveis necessárias para uma aplicação da magneto-hipertermia de modo clinicamente seguro. Neste trabalho, propomos o desenvolvimento de metodologias para obtenção “in situ” de sistemas que utilizam resinas epoxídicas e sistemas orgânicos arborescentes para o encapsulamento de ferritas de YFeAl de baixa dimensionalidade e toxicidade destes sistemas para o organismo biológico. Materiais e métodos Nanopartículas monodispersas de MFe2O4 (M=Y, Al) com tamanho igual a 15 nm (Figura 1) foram sintetizados através da decomposição térmica de complexos de ferro (III) na presença de oleilamina6. Nanoesferas contendo as partículas ferromagnéticas de YFeAl foram obtidas através da técnica de polimerização em dispersão. As nanopartículas de YFeAl foram previamente dispersas na solução do monômero epoxídico diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA):poliglicerol (1:1). Após homogeneização a 800 rpm por 2 horas adicionou-se a dietilenotriamina (DETA) como agente de cura. O sistema foi transferido para óleo mineral sob forte agitação (1200 rpm) e o sistema aquecido até 130 ºC por 15 h. Ao término da reação, as microesferas foram lavadas exaustivamente com etanol, clorofórmio para a remoção de impurezas e secassob vácuo a 50 °C, por 72 horas. O aspecto morfológico das microesferas foi observado com o auxílio de microscópio eletrônico de varredura (MEV, Phillips XL 30) e a análise de distribuição de tamanhos foi efetuada utilizando o software para aquisição e o tratamento computacional de imagens para análise da distribuição de tamanhos. O ensaio da citotoxidade das nanoesferas híbridas orgânicas-inorgânicas de YFeAl foi realizado utilizandose células de ovário de hamster chinês, ATCC CHO k1 (American Type Culture Collection)7. Resultados e discussão O processo de encapsulamento das partículas magnéticas obtidas neste trabalho é de fundamental importância para a obtenção de materiais implantáveis com propriedades biocompatíveis. A importância de polímeros DGEBA curado por DETA como biomateriais se deve à sua inércia química e compatibilidade com o sangue, como demonstrado em nossas publicações mais recentes8. Propriedades magnéticas e biocompatíveis de nanocompósitos para utilização em magneto-hipertermia Figura 2. Curva de histerese à temperatura ambiente (25 ºC) dos nanopós de YFeAl. 1000 A Figura 1 ilustra as micrografias MEV das nanopartículas de YFeAl e, as microesferas de DGEBA/YFeAl obtidas neste trabalho. Com relação à distribuição de tamanho das partículas de YFeAl (Fig. 1A) observa-se um tamanho médio em torno de 15 nm. Um dos fatores mais importantes na obtenção de nanopartículas para tratamento de hipertermia magnética é a distribuição dos tamanhos das partículas. A síntese de nanoesferas ferromagnéticas neste trabalho tem levado a uma distribuição de tamanhos de partículas relativamente homogênea. A distribuição homogênea quanto ao tamanho das partículas favorece o processo de conversão da energia magnética em calor uma vez que os proporciona uma distribuição homogênea da temperatura dentro do tecido tumoral. As nanoesferas de DGEBA/YFeAl (Fig. 1B) apresentam uma distribuição de tamanhos entre 30 e 60 nm. O diâmetro médio dos capilares sanguíneos do fígado situa-se entre 4 a 16 μm logo, o diâmetro das nanoesferas obtidas neste trabalho parece ser conveniente para o tratamento de tumores malignos presentes no fígado através da técnica de hipertermia. As propriedades magnéticas das amostras exibiram superparamagnetismo com valor de magnetização de saturação de -53,7 meu/g (Fig. 2). Considerando-se a área sob a curva na Figura 2, calculou-se a energia magnética presente nas cerâmicas ferromagnéticas quando estas foram submetidas a um campo magnético. A Figura 3 mostra a energia de magnetização em função da concentração de ferro. Observa-se uma forte dependência da energia magnética estocada em função da concentração de Ferro (mol %). -3 ) 800 Energia magnética (J.m Figura 1. Distribuição do tamanho de partículas e micrografias do microscópio eletrônico de varredura (MEV) de partículas de YFeAl (A) e microesferas do nanocompósito DGEBA/YFeAl (B). 600 400 200 0 0 5 10 15 20 25 30 Ferro (mol%) Figura 3. Energia Magnética (J.m3) versos concentração de Ferro (mol%). O ensaio de citotoxicidade de biomateriais é efetuado conforme a ISO 10.993-part 5. A linhagem celular recomendada é que seja uma linhagem celular estabelecida de mamíferos obtida de um repositório reconhecido como o American Type Culture Collection (ATCC). É utilizada no ensaio uma cultura de células de ovário de hamster chinês (ATCC CHO K1). Na Figura 5, são apresentadas as curvas de viabilidade celular das nanoesferas magnéticas de YFeAl. As amostras apresentaram comportamento semelhante ao controle negativo, não tóxico, com IC50% maior que 50%. Conclusões Nanopartículas magnéticas de 15 nm foram encapsuladas por DGEBA e curadas com DETA. Nanoesferas com Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):79-82. 81 Castro VF, Celestino J, de Queiroz AAA e Garcia FG 120 280 N ão cito tóx ico 240 Succinate dehydrogenase activity (%) 100 200 160 TC (ºC) (A ) 120 80 40 P ou co cito tóx ico 80 (C ) 60 M ode rada m ente citotóxico 40 E levad a citotoxicidad e 20 (B ) 0 0 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 2 3 4 5 T im e (W ee ks) A l (m ol% ) Figura 4. Dependência da temperatura de transição de Curie (TC) de cerâmicas YFeAl em função da composição de Al. Figura 5. Citotoxicidade das nanocapsulas magnéticas DGEBA/ YFeAl (C). Em (A) e (B) tem-se os controles positivos e negativos, respectivamente. distribuição de tamanhos entre 30-60 nm, transportadoras das partículas magnéticas YFeAl foram obtidas e caracterizadas quanto às suas propriedades magnéticas e biocmpatíveis. A microscopia eletrônica de varredura indicou uma distribuição monomodal de tamanho e temperatura de transição de Curie dependente da composição da cerâmica YFeAl. Ensaios biológicos indicam que o nanocompósito obtido não afetou o crescimento de células de mamíferos e ao mesmo tempo apresentou temperatura de transição de Curie dependente da composição de Al na cerâmica. Esses resultados sugerem que as nanopartículas de Y3Fe5-xAlxO12 encapsuladas pelo sistema DGEBA/DETA representam uma alternativa promissora no tratamento de tumores malignos através da magneto-hipertermia. Referências Agradecimentos Os autores expressam seus agradecimentos aos órgãos de fomento à pesquisa Finep, CNPq, Capes e Fapemig pelo auxílio financeiro ao desenvolvimento deste projeto. Também fica expresso nosso agradecimento à FUPAI pelo auxílio fornecido para participação do XIV Congresso Brasileiro de Física Médica. 82 1 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):79-82. 1. Modalities of Cancer Therapy. [homepage da internet] [citado 2009 Aug 13]. Disponível em: http://www.merck.com/mmpe/sec11/ch149/ch149b. html#CACFCFDG 2. Overgaard, J. The current and potential role of hyperthermia in radiotherapy. Intern J Rad Onc Biol Phys 1989; 6: 535-49. 3. Vernon C. Hyperthermia in cancer growth regulation Phase III. Biotherapy 1992;4(4):307-15. 4. Tartaj P, Morales MP, Veintemillas-Verdaguer S, Gonzales-Carreño T, Serna JC. The preparation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine. J Phys D: Appl Phys 2003;36:R182-R197. 5. Sun S, Zeng H. Size-controlled synthesis of magnetite nanoparticles. J Am Chem Soc. 2002;124(28):8204-5. 6. Queiroz AAA, Passos ED, Silva MR, Higa OZ, Bressiani AHA, Bressiani JC. Biocompatible superparamagnetic nanospheres for the cancer treatment. Apresentado no III Congresso Latino Americano de Órgãos Artificiais e Biomateriais (COLAOB). Campinas (SP), 2004, p. 182. 7. International Organization for Standardization. “Biological evaluation of medical devices tests for citotoxicity: in vitro methods”, ISO 10993-5 (1999 E). 8. Garcia FG, Leyva ME, Queiroz AAA, Higa OZ. Epoxy networks for medicine applications: mechanical properties and in vitro biological properties. J Appl Polym Sci. 2009;112:1215-25. Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):83-8. Quantificação metabólica absoluta in vitro por espectroscopia de ressonância magnética In vitro absolute metabolic quantification by magnetic resonance spectroscopy Felipe R. Barreto, Carlos E. G. Salmon Departamento de Física e Matemática, Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto, Brasil Resumo Neste projeto estimamos os tempos característicos de relaxação nuclear (T1 e T2) do 1H in vitro da água e dos seguintes metabólitos presentes no cérebro humano: N-Acetil-Aspartato (NAA), Colina (Cho), Creatina (Cr) e Mio-Inositol (M-Ins) por meio da análise do sinal de espectroscopia de ressonância magnética nuclear, visando realizar correções de efeito de relaxação transversal e longitudinal no processo de quantificação absoluta. Fantomas com 300 mL de uma solução padrão juntamente com o metabólito em questão foram utilizados para a aquisição dos espectros. Foram utilizadas sequências com tempo ao eco (TE) variável para a determinação de T2 e tempo de repetição (TR) ou tempo de inversão (TI) variáveis para a determinação de T1, sendo sempre adquiridos espectros com e sem a saturação da água. O processamento dos espectros foi feito com os softwares LCModel e MRUI e os ajustes dos dados pelo Origin 8.0. Os seguintes valores de T1/T2 (ms) foram os melhores estimados de acordo com a análise da concentração absoluta: (4061/934) para água, (1800/830) para NAA, (2316/717) para Cr, (2356/1095) para Cho e (1537/531) para M-Ins. O software MRUI apresentou melhor desempenho no processo de determinação de T1 e T2 para a realização de correções dos efeitos de relaxação no processo de quantificação absoluta. Palavras-chave: Espectroscopia, quantificação absoluta in vitro, efeitos de relaxação. Abstract In this project we estimated characteristic nuclear relaxation times (T1 and T2) from 1H in vitro of water and the following human brain metabolites: N-Acetyl-Aspartate (NAA), Choline (Cho), Creatine (Cr) and Myo-Inositol (M-Ins) using nuclear magnetic resonance spectroscopy, aiming at relaxation effects correction for absolute quantification. Phantoms with 300 mL of a standard solution with a metabolite were used for spectra acquisition. Variable eco time sequences were used to determinate T2 while variable repetition or inversion time was used for T1 determination. Spectra processing was done with MRUI and LCModel softwares. Origin 8.0 was used for data fitting. The following T1/T2 values (ms) were the best estimated according to calculated absolute concentration analyses: (4061/934) for water, (1800/830) for NAA, (2316/717) for Cr, (2356/1095) for Cho and (1537/531) for M-Ins. With MRUI better results were obtained in T1 and T2 determination for relaxation effects correction in the absolute quantification process. Keywords: Spectroscopy, in vitro absolute quantification, relaxation effects. Introdução A espectroscopia localizada de ressonância magnética é uma técnica baseada no fenômeno físico da ressonância magnética nuclear (RMN), que possibilita a medição não invasiva de determinados compostos em organismos vivos. Durante um experimento de ressonância magnética nuclear ocorrem efeitos de relaxação transversal e longitudinal: a relaxação transversal é ocasionada pela troca de energia dentro do sistema de spins, fazendo com que a magnetização no plano transversal diminua exponencialmente com o decorrer de um tempo característico denominado T2 enquanto que a relaxação longitudinal ocorre em um tempo característico T1, determinado pela recuperação da magnetização longitudinal. A área de um pico do espectro é proporcional a concentração Correspondência: Carlos Ernesto Garrido Salmon, Universidade de São Paulo, Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de Ribeirão Preto, Av. Bandeirantes 3900 - Monte Alegre, CEP: 14040-901 - Ribeirao Preto (SP), Brasil – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 83 Barreto FR, Salmon CEG do metabólito, o número de prótons contribuindo para o sinal e alguns fatores experimentais, dentre esses há o tempo de repetição (TR) e o tempo ao eco (TE). Para o cálculo da concentração metabólica absoluta comparam-se as áreas dos picos dos metabólitos e o pico da água cuja concentração é conhecida. Em condições em que TR<4000 ms e TE>30ms é necessário relevar os fenômenos de relaxação. Para sequências Spin Eco (90°-TE/2-180°-TE/2), o fator de correção para os efeitos de relaxação é: − TR − TE (1) F = (1− e T 1 ).e T 2 No caso de sequências Inversão-Recuperação (180°-TI90°-TE/2-180°-TE/2), o fator de correção é dado por: − TI − TR − TE F = (1− 2e T 1 + e T 1 ).e T 2 (2) Para o cálculo da concentração absoluta de um metabólito tendo como referência o pico de água sem supressão, pode ser utilizada a seguinte expressão: C= NPa.Ca.Am.Fa Aa.NPm.Fm (3) Sendo na equação 3: NPa o número de prótons da água gerando sinal, Ca a concentração de água no voxel selecionado, Am a área do pico metabólico, Fa o fator de correção do efeito de relaxação da água, Aa a área do pico de água, NPm o número de prótons do metabólito contribuindo para o sinal, Fm o fator de correção do efeito de relaxação do metabólito. Os sais Na2HPO4 e NaH2PO4 foram utilizados para formar uma solução tampão que estabilizasse o pH. HCOONa e DSS são substâncias utilizadas como marcadores pois geram singletos em 8.44 e 0 ppm, respectivamente, e NaN3 não permite o desenvolvimento de microorganismos na solução. A aquisição dos dados foi feita na máquina de ressonância magnética Achieva 3 T do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto, com temperatura mantida constante em 37±2°C e o pH das soluções em 7,2±0,2. Foi utilizada uma sequência PRESS com um volume cúbico de interesse de 8 cm³ localizado no centro do fantoma. Foram adquiridos espectros com 4096 pontos, uma largura de banda de 3200 Hz e 32 médias. Para a determinação de T2 foram adquiridos seis espectros com um tempo de repetição fixo (TR=1660 ms) e variando o tempo ao eco (TE): 35, 80, 125, 170, 215, 260 ms. Para T1 foi mantido o TE= 35 ms e variado o TR= 1500, 1800, 2100, 2400, 2700, 3000, 3300, 3600 ms. Adicionalmente o T1 foi obtido adicionando um pulso de inversão e mudando o tempo de inversão (TI): 200, 400, 600, 800, 1000, 1200 ms com TR/ TE=2535/35 ms. O processamento dos espectros foi feito pelo software LCModel e pelo software MRUI com o uso do algoritmo AMARES. Durante o processamento os espectros as fases foram ajustadas manualmente e fixadas para que não fosse necessária a remoção do resíduo do pico da água. Os valores de área de pico em função do parâmetro variado foram ajustados com o software Origin 8.0 à expressão do sinal correspondente à sequência utilizada. A determinação de T2 do Mio-Inositol foi feita de maneira diferente dentre os softwares: pelo MRUI foi utilizado o pico de 4.05 ppm por sofrer menos influência do acoplamento J enquanto pelo LCModel foi calculado através da variação da área total dos picos. Para a realização da quantificação absoluta foram utilizados os espectros com TE variável e TR variável. Material e métodos Os fantomas utilizados eram compostos de um recipiente esférico de vidro de 300 mL totalmente preenchido por uma solução padrão composta por: · 72 mM de Na2HPO4; · 28 mM de NaH2PO4; · 200 mM de HCOONa; · 1g/L de NaN3; · 2 mM de DSS. Além da solução padrão, para cada fantoma foi adicionado um dos seguintes metabólitos: · 50 mM de Ácido N-Acetil-Aspartatico (NAA); · 50 mM de Creatina (Cr); · 100 mM de Colina (Cho); · 200 mM de Mio-Inositol (M-Ins). 84 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):83-8. Resultado Os valores de T1 e T2 in vitro (Tabela 1) foram maiores aos valores reportados in vivo1-3, fato conhecido e esperado pela mobilidade mais restrita no organismo vivo. Entretanto a proporção entre os valores não foi a mesma observada in vivo (M-Ins<Cr<Cho<NAA), pois os metabólitos estão localizados em regiões com estruturas diferentes enquanto in vitro estão sujeitos as mesmas condições. A variabilidade nas medições de área e consequentemente a dificuldade na determinação dos tempos de relaxação está diretamente relacionado com a proximidade do pico metabólico de interesse ao pico da água. Com a utilização da ferramenta HLSVD do Quantificação metabólica absoluta in vitro por espectroscopia de ressonância magnética Tabela 1. Valores de T1 e T2. Substância MRUI LCModel T1 (ms) T2 (ms) T1 (ms) T2 (ms) Água (Cr) 3811±107 782±25 7905±5082 500±21 Cr 2316±190 717±128 3365±2162 788±82 Água (NAA) 3444±148 1200±97 3683±31 2067±38 NAA 1800±180 830±30 1718±18 952±185 Água (Cho) 4776±334 1360±86 3712±997 476±154 Cho 2356±111 1095±35 4222±632 699±54 Água (M-Ins) 4456±511 1022±39 3588±299 1100±119 M-Ins 3412±882 130±18 1537±55 531±431 software MRUI para a remoção do resíduo do pico da água é frequente a remoção parcial da base de picos de metabólitos, o que gera o aumento da dispersão dos resultados. Os valores de T1 estimados com os dados da sequência que utiliza o pré-pulso de inversão mostraram se menores do que aqueles determinados com a série de espectros com TR variável. Tal diferença foi verificada com o uso de ambos os softwares e pode ter sido ocasionada por imperfeições no anglo de inversão. A utilização da área total dos picos de M-Ins para o cálculo de T2 pelo LCModel provocou um desvio maior do que o observado nas outras medidas, devido a influência do acoplamento J. Houve diferenças entre os valores de T1 e T2 da Cho calculados a partir do processamento usando ambos os softwares, provavelmente geradas por um alargamento da base do pico no espectro (Figura 1). Ao se realizar a quantificação absoluta sem correção dos efeitos de relaxação o valor encontrado é maior do que o real. Para minimizar tais efeitos deve se utilizar TR>>T1 e TE<<T2, caso contrário a correção dos efeitos de relaxação é de extrema importância (Figura 3). A estimativa da concentração do M-Ins não se aproximou dos valores esperados, pois a determinação de T2 é muito afetada pelo efeito de acoplamento J. Análises in vitro podem se tornar problemáticas com o software LCModel quando não há sinais de Cr, Cho ou NAA no espectro, sendo necessário estipular quais serão os picos de referência, embora muitas vezes o software não os reconheça e não faça o Water Scaling (WS). Para realizar a quantificação com os valores de T1 e T2 calculados pelo LCModel foram utilizadas as áreas dos picos metabólitos e da água determinados pelo MRUI, pois segundo a seção 11.2 do manual do software4, ao se utilizar o WS os efeitos de relaxação in vitro são corrigidos. As concentrações médias estimadas pelo LCModel com WS foram, em mM: 46,38±1,62 para NAA; 43,16±3,03 para Cr; 112±5,93 para Cho e 223,61±29,89 para M-Ins. Esses valores foram estimados com a correção dos efeitos de relaxação inerentes à base de dados obtida com o fornecedor do programa. A figura 2 demonstra alguns ajustes dos dados feitos pelo software Origin. A quantificação com a série de espectros com TR variável gera valores de concentração absoluta mais próximos dos esperados (Figura 4) pois os espectros não estão suscetíveis a evolução temporal do acoplamento J observados com a variação de TE. A quantificação da Cr pela série de TE variável (Figura 5) apresentou os maiores desvios apesar de não apresentar acoplamento J, possivelmente devido a uma contaminação do fantoma. Conclusão Os valores de T1 e T2 encontrados que mais se aproximam do esperado, através de análises pela quantificação absoluta são, em ms (T1/T2): (4061/934) para água, (1800/830) para NAA, (2316/717) para Cr, (2356/1095) para Cho e (1537/531) para M-Ins. O metabólito que apresentou os valores mais similares em ambos os processamentos e a concentração estimada mais próxima da real foi o NAA, devido ao seu afastamento em relação ao pico da água. O software MRUI permite uma maior liberdade durante a análise do espectro enquanto o LCModel possui a característica de automatizar ao máximo o processo, embora sua utilização tenha sido menos eficaz, em comparação com o MRUI na determinação dos tempos de relaxação. A determinação de T1 e T2 e a quantificação pode ser bastante complexa devido à influência do sinal da água e também em metabólitos que apresentam efeitos de acoplamento J. Agradecimentos FAPESP (processo 2009/00270-2) e ao técnico Carlos Alberto Brunello. Este trabalho faz parte do programa CInAPCe. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):83-8. 85 Barreto FR, Salmon CEG Figura 1. Exemplos dos espectros adquiridos. 86 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):83-8. Quantificação metabólica absoluta in vitro por espectroscopia de ressonância magnética Figura 2. Ajuste dos pontos pelo software Origin. A B Figura 3. A) Concentrações estimadas de NAA com e sem correção dos efeitos de relaxação na série de espectros com TE variável. B) Concentrações estimadas de NAA com e sem correção dos efeitos de relaxação na série de espectros com TR variável. Em ambos os gráficos a linha tracejada representa a concentração esperada. A B Figura 4. A) Concentrações estimadas de Cho com e sem correção dos efeitos de relaxação na série de espectros com TE variável. B) Concentrações estimadas de Cho com e sem correção dos efeitos de relaxação na série de espectros com TR variável. Em ambos os gráficos a linha tracejada representa a concentração esperada. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):83-8. 87 Barreto FR, Salmon CEG A B Figura 5. A) Concentrações estimadas de Cr com e sem correção dos efeitos de relaxação na série de espectros com TE variável. B) Concentrações estimadas de Cr com e sem correção dos efeitos de relaxação na série de espectros com TR variável. Em ambos os gráficos a linha tracejada representa a concentração esperada. Referências 1. Brief EE, Whittall KP, Li DKB, MacKay AL. Proton T2 relaxation of cerebral metabolites of normal human brain over large TE range. NMR Biomed. 2005;18(1):14-8. 2. Brief EE, Whittall KP, Li DKB, MacKay AL. Proton T1 relaxation times of 88 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):83-8. cerebral metabolites differ within and between regions of normal human brain. NMR Biomed. 2003;16(8):503-9. 3. Mlynárik V, Gruber S, Moser E. Proton T1 and T2 relaxation times of human brain metabolites at 3 T. NMR Biomed. 2001;14(5):325-31. 4. Provencher S. LC Model and LC Mgui User’s Manual. [citado 17 mar 2010]. Disponível em: http://s-provencher.com/pub/LCModel/manual/ manual.pdf. Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):89-91. Evaluation of hippocampal volume based on MRI applying manual and automatic segmentation techniques Avaliação do volume hipocampal baseada em IRM aplicando técnicas de segmentação manual e automáticas. Thomas M. Doring1,2; Tadeu T. A. Kubo2; Romeu C. Domingues2 e Emerson L. Gasparetto1,2 Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRS) – Rio de Janeiro (RJ), Brasil 2 Clínica de Diagnóstico por Imagem (CDPI) – Rio de Janeiro (RJ), Brasil 1 Abstract Various segmentation techniques using MR sequences, including manual and automatic protocols, have been developed to optimize the determination of the hippocampal volume. For clinical application, automated methods with high reproducibility and accuracy potentially may be more efficient than manual volumetry. This study aims to compare the hippocampal volumes obtained from manual and automatic segmentation methods (FreeSurfer and FSL). The automatic segmentation method FreeSurfer showed high correlation. Comparing the absolute hippocampal volumes, there is an overestimation by the automated methods. Applying a correction factor to the automatic method, it may be an alternative for the estimation of the absolute hippocampal volume. Keywords: Magnetic Resonance Imaging, Neuro-radiology, Image processing, Automatic segmentation-techniques, Hippocampal Volumetry. Resumo Diversas técnicas de segmentação utilizando seqüências de RM, incluindo protocolos manuais e automáticos, têm sido desenvolvidos para otimizar a determinação do volume hipocampal. Para aplicação clínica, métodos automatizados de alta reprodutibilidade e acurácia são potencialmente mais eficientes do que a volumetria maual. O objetivo desse estudo foi comparar os volumes hipocampais obtidos pela segmentação manual e pelos métodos automáticos (Freesurfer e FSL). O método de segmentação automática mostrou forte correlação com o método manual. Comparando os volumes hipocampais absolutos, há uma superestimação pelos métodos automáticos. Utilizar um fator de correção para os métodos automáticos, pode ser uma alternativa para estimar o volume hipocampal absolut. Palavras-chave: imagem por ressonância magnética, neuroradiologia, processamento de imagem, técnicas de segmentação automática, volumetria hipocampal. Introduction Manual segmentation of the hippocampus is considered the “gold standard” method. Many studies assessing manual segmentation methods for the measurement of the hippocamal volume in patients with neuropsychiatric disorders have been conducted1,2. However, there are no well-established protocols that all researchers apply, like guidelines that describe the anatomical boundaries of the hippocampus, what were the acquisition protocols, and post-processing guidelines3. Therefore, when comparing volume measurements between different studies, one should consider the fact that different protocols and manual techniques were used. Automatic volumetric methods are compared to manual methods operator-independent and thus show higher reproducibility, as they are less susceptible for rater bias. They do not require experienced radiologists for the procedure and are less time consuming. The aim of this study was to evaluate the hippocampal volume applying one manual segmentation method and two automated segmentation methods (FreeSurfer and FIRST/FSL) and to compare the different segmentation methods through statistical analysis. Material and methods 93 subjects (38 men, 32.9 ± 13,5years), 55 women, 34.8 ± 10.0 years) underwent MR imaging at 3 Tesla (Verio, Siemens Medical, Germany). Sagittal 3D-MPRAGE images were obtained (1.33mm³ voxelsize; 128 slices; matrix Correspondência: Thomas Doring – Av. Das Américas 4666, sala 301B – Centro de Estudos – CEP: 22649-900 – Rio de Janeiro (RJ), Brasil – E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 89 Doring TM, Kubo TTA, Domingues RC, Gasparetto EL A 256x256; flip angle 7º; TR/TE/TI= 2.53s/3.39ms/1.1s). Manual volumetry of the right and left hippocampus was performed by two radiologists (3 and 10 years of experience). Automatic segmentation was done with two available software’s: FreeSurfer (v4.0.5 Massachusetts General Hospital, Boston, EUA) and FSL/FIRST (v.4.1.0, Analysis Group, FMRIB, Oxford, UK). The volumes were corrected for IntraCranialVolume. The Cronbach’s Alpha was used to evaluate the reliability of the intraclass correlation coefficients between raters and the agreement between the three different volumetric segmentation methods. For the latter evaluation, also the Pearson Correlation Coefficient was calculated. Results B The Cronbach’s Alpha coefficient when comparing manual volumetry and FreeSurfer were 0.846 (right-hippocampus) and 0.859 (left-hippocampus), and comparing manual volumetry and FSL were 0.764 (right-hippocampus) and 0.654 (left-hippocampus). The Pearson correlation coefficients for manual volumetry vs FreeSurfer were 0.738 (right-hippocampus) and 0.752 (left-hippocampus), and between manual volumetry and FSL were 0.652 (right-hi- ppocampus) and 0.502 (left-hippocampus). The difference in the mean volumes obtained with the different segmentation techniques were tested using one-way repeated ANOVA and differed significantly (P<0.0001), being the FreeSurfer more similar to the manual volumetry than FSL. Discussion and conclusions C Figure 1. Plots of repeated measurements from the three volumetric methods. The ICCs were calculated for the manual (a), FreeSurfer (b) and FSL (c). A comparison of the manual segmentation method with the automatic segmentation method was done. FreeSurfer showed the best agreement with the manual method (ICC’s 0.8457 (right) and 0.8585 (left)) was whereas FSL showed lower correlation (0.746 (right) and 0.654 (left)). Figure 2. Correlation plots for hippocampal volumes between manual and automated methods. A: Right Hippocampus, B: Left Hippocampus. 90 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):89-91. Evaluation of hippocampal volume based on MRI applying manual and automatic segmentation techniques For FreeSurfer, our results were in agreement with the previously realized study from W.S. Tae4, (comparison of manual with FreeSurfer and IBASPM), with an ICC’s very closed to eachother (WSTae, 0.846 (right) and 0.848, our results 0.846 (right) and 0.859 (left)). Evaluating our second method of automatic segmentation, the results of agreement with the manual method were lower than those obtained by the FS (FSL was 0.746 (right) and 0.654 (left)). Comparing FSL/FIRST and the IBASPM results, (IBASPM, 0.654 (right) and 0.717 (left))1 the correlation is similar to the manual method. Both automatic methods overestimated the hippocampal volume. FreeSurfer produced volumes that were 36% for the right and 33% for the left hippocampus larger than with those obtained with the manual method with p<0.001. This result is in accordance to the study to Woo et. All, (FreeSurfer produced a mean of 35% larger volumes for both Hippocampus). For FSL/FIRST, the percentual volume differences values were 31 % for the right hippocampus, and 25% for the left. These results are also in accordance with a recently performed study of Morey R.A. et al.5 that included a 3D shape analysis for precise comparison The automatic segmentation method FreeSurfer showed high correlation. Applying a correction factor for the overestimation of the volume, it may be an alternative to manual segmentation. Acknowledgements We would like to express our gratitude to our MR technologists and to CAPES. References 1. Savitz J, Drevets WC. Bipolar and major depressive disorder: Neuroimaging the developmental-degenerative divide. Neurosci Biobehav Rev. 2009;33(5):699-771. 2. Geuze E, Vermetten E, Bremner JD. MR-based in vivo hippocampal volumetrics: 2. Findings in neuropsychiatric disorders. Mol Psychiatry. 2005;10(2):160-84. 3. Geuze E, Vermetten E, Bremmer JD; Nature Publishing Group. MR-based in vivo hippocampal volumetrics: 1. Review of methodologies currently employed. Mol Psychiatry. 2005;10(2):147-59. 4. Tae WS, Kim SS, Lee KU, Nam EC, Kim IW. Validation of hippocampal volumes measured using a manual method and two automated methods (FreeSurfer and IBASPM) in chronic major depressive disorder. Neuroradiology. 2008;50(7):569-81. 5. Morey RA, Petty CM, Xu Y, Hayes JP, Wagner HR 2nd, Lewis DV, et al. A comparison of automated segmentation and manual tracing for quantifying hippocampal and amygdala volumes. Neuroimage. 2009;45(3):855-66. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):89-91. 91 Artigo Original Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):93-7. Dois fantomas construídos a partir de superfícies mesh representando uma mulher adulta e um homem adulto Two adult human voxel phantoms based on polygon mesh surfaces Vagner F. Cassola1, Richard Kramer1, Vanildo J. M. Lima2 e Helen J. Khoury1 Departamento de Energia Nuclear da Universidade Federal de Pernambuco (UFP) - Recife (PE), Brasil 2 Departamento de Anatomia da UFP - Recife (PE), Brasil 1 Resumo Entre os modelos computacionais usados na proteção radiológica os fantomas de voxel, com base em imagens de Tomografia Computadorizada (TC), Ressonância Magnética Nuclear (RMN) ou fotografias, se tornaram populares nos últimos anos. Embora estes fantomas forneçam uma representação fiel à anatomia de um indivíduo, a digitalização é normalmente feita em decúbito dorsal que, em comparação com a anatomia de uma pessoa em pé, provoca o deslocamento dos órgãos internos na direção da caixa torácica, compressão dos pulmões e redução do diâmetro sagital, em especial na região abdominal, o que por sua vez pode influenciar na estimativa da dose absorvida ou equivalente. Este estudo propõe um método de construção de fantomas humanos usando ferramentas desenvolvidas para a computação gráfica e animação 3D, aplicadas à criação e modelagem de órgãos e tecidos humanos. Dois fantomas, um feminino e um masculino, foram desenvolvidos com base em informações obtidas de atlas anatômicos e respeitando, ao mesmo tempo, os valores de referência anatômica para o homem e a mulher adultos publicados pela Comissão Internacional de Radioproteção. Os fantomas foram chamados FAX_AA (Female Adult voXel_Average-Average) e MAX_AA (Male Adult voXel_Average-Average), porque representam adultos do sexo feminino e masculino com peso e altura média. Palavras-chave: Anatomia, computação gráfica, fantomas humanos, radioproteção. Abstract Among computational models used in radiation protection, voxel phantoms based on computer tomographic (CT), nuclear magnetic resonance (NMR) or colour photographic images, became very popular in recent years. Although being a true to nature representation of the scanned individual the scanning is usually made in supine position, which causes a shift of internal organs towards the ribcage, a compression of the lungs and a reduction of the sagittal diameter especially in the abdominal region compared to the anatomy of a person in upright standing position, which in turn can influence absorbed or equivalent dose estimates. This study proposes a method for human phantom design using tools recently developed in the areas of computer graphics and animated films and applies them to the creation and modeling of artificial 3D human organs and tissues. Two models, a male and a female adult human phantom have been developed based on anatomical atlases, observing at the same time the anatomical specifications published by the International Commission on Radiological Protection for the male and female reference adult. The phantoms are called FAX_AA (Female Adult voXel_Average-Average) and MAX_AA (Male Adult voXel_Average-Average) because they represent female and male adults with average weight and average height. Keywords: Anatomy, computer graphics, human phantom, radiation protection. Introdução A radioproteção está baseada na preocupação dos possíveis efeitos deletérios que as radiações ionizantes podem causar. Desta forma, com o propósito de estimar o risco para cada pessoa devido a exposição à radiação, é necessário conhecer as doses absorvidas em órgãos e tecidos radiossensíveis. Entretanto estes valores não podem ser medidos diretamente no indivíduo exposto, e por esta razão utilizam-se fantomas humanos, que são representações físicas ou computacionais utilizadas para determinar coeficientes de conversão entre a dose absorvida nos órgãos e tecidos e grandezas mensuráveis. Até 2007 existiam basicamente dois tipos de fantomas computacionais: os fantomas MIRD5 também conhecidos como fantomas matemáticos introduzidos por Fisher Correspondência: Vagner Ferreira Cassola — Departamento de Energia Nuclear — Universidade Federal de Pernambuco — Cidade Universitária — Avenida Professor Luiz Freire,1000 — CEP 50740-540 – Recife (PE), Brasil — E-mail: [email protected] Associação Brasileira de Física Médica® 93 Cassola VF, Kramer R, Lima VJM, Khoury HJ e Snyder em 19671 e os fantomas de voxel construídos inicialmente por Gibbs e colaboradores em 19842 e, independentemente por Wilians e colaboradores em 19863. Nos fantomas matemáticos as formas do corpo e dos órgãos são descritos por equações representando a combinação e a interseção de planos e superfícies, estes fantomas são flexíveis e os volumes e posições de órgãos e tecidos podem ser facilmente ajustados. Contudo, volumes geométricos simples não descrevem a anatomia real de um indivíduo. Os fantomas de voxel são construídos a partir da segmentação de imagens tomográficas e produzem resultados anatômicos mais realísticos que o uso de equações matemáticas. No entanto, quando é necessário realizar ajustes de volumes ou posições dos órgãos para representar indivíduos com diferentes estatura e peso este processo pode ser tedioso e o realismo anatômico pode ser perdido. Em 2007 Lee e colaboradores4 publicaram um fantoma “híbrido” de corpo inteiro para um recém nascido. O fantoma preservava tanto o realismo anatômico dos fantomas voxels quanto a flexibilidade dos fantomas matemáticos. Isto foi possível através do uso de superfícies NURBS (Non Uniform Rational Basis Spline) para o modelamento dos órgãos originalmente descritos em voxel. A utilização de superfícies NURBS possibilita ajustar os volumes e órgãos e/ou a estatura do corpo e, ao mesmo tempo, é possível alcançar um grau maior de realismo anatômico5,6. Também em 2007, Santos e Frère7 apresentavam um trabalho sobre a construção de um fantoma computacional usando malhas de polígonos desenvolvidas a partir de informações de atlas anatômicos e fotografias de um esqueleto. Xu e colaboradores8 utilizaram modelos 3D da pele de um feto de nove meses de idade e de sua mãe para a construção da superfície de um fantoma de mulher grávida. Nestes fantomas os modelos 3D das peles foram obtidos em sites especializados, enquanto a parte interna foi baseada em imagens CT. O programa CALDose_X, de acesso livre pela internet (www.grupodoin.com), calcula doses absorvidas Tabela 1. Órgãos e tecidos segmentados nos fantomas FAX_AA e MAX_AA. Em negrito o modelos obtidos na internet. Olhos Cérebro Medula espinhal Seios Glândulas Adrenais Pulmão Traquéia Coração Pâncreas Timo Baço Língua Tireóide Fígado Rins Ovário Pênis Útero Passagem Nasal Cavidade Bucal Bexiga Nodos Linfáticos Pele Faringe Laringe Glândulas Salivares Esôfago Estômago Intestino delgado Intestino grosso Próstata Músculo Esqueleto Testículos Tecido Mole* Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):93-7. Material e métodos Materiais Neste artigo os fantomas foram construídos a partir de modelos 3D de órgãos obtidos da internet ou desenvolvidos utilizando um programa livre para modelagem 3D12 sem a necessidade do uso de imagens tomográficas. Os órgãos e tecidos segmentados nos fantomas estão listados na Tabela 1 e a Figura 1 mostra os órgãos obtidos da internet que foram utilizando neste trabalho. No desenvolvimento deste trabalho estes órgãos e tecidos foram revisados e ajustados com base ene referência anatômicas contidas em atlas de anatomia, conforme descrito na próxima seção. Gordura * Tecido Mole: sangue, vasos sanguíneos, tecidos conectivos, fáscia muscular, tendões, etc. 94 em órgãos e tecidos, assim como o risco da exposição a radiação, para pacientes submetidos a exames de radiodiagnóstico. Os valores são calculados com base no método Monte Carlo e nos fantomas MAX06 e FAX069,10. Estes fantomas apresentam altura, peso, assim como as massas dos órgãos para o homem e mulher de referência de acordo com os valores recomendados pela ICRP8911. Entretanto, na maioria dos casos os pacientes reais possuem altura e peso diferentes das pessoas simuladas pelos fantomas MAX06 e FAX06. Este trabalho demonstra o processo de construção de fantomas de voxel a partir de superfícies de polígonos mesh. São utilizados apenas programas e modelos 3D que podem ser obtidos gratuitamente na internet e atlas anatômicos fornecem as informações para verificar a adequação da anatomia dos fantomas, excluindo a necessidade do uso de imagens tomográficas. Os fantomas, que neste trabalho foram inicialmente gerados para representar o homem e a mulher de referência da ICRP8911, podem ter suas massas e altura facilmente modificadas. Estes novos fantomas foram chamados FAX_AA e MAX_AA e futuramente serão incorporado ao programa CALDose_X para tornar os cálculos específico para cada paciente. Figura 1. Representação dos oitos modelos 3D importados da internet para a construção dos fantomas. Dois fantomas construídos a partir de superfícies mesh representando uma mulher adulta e um homem adulto Processo de construção dos fantomas Na construção e edição dos modelos 3D dos fantomas FAX_AA e MAX_AA utilizaram-se apenas programas livres e o procedimento está representado de forma esquemática no fluxograma da Figura 2. Para a primeira etapa do procedimento é empregado o programa MakeHuman (versão 0.9.1 RC1)13, para modelagem de personagens humanóides. Os personagens são criados deformando um modelo 3D básico usando quatro controles: idade/sexo; massa corporal, seios e formato do corpo (Figura 3). As informações da superfície mesh dos personagens é exportado para um arquivo no formato WaveFront. O arquivo gerado é importado para o Blender12, um programa de modelagem e animação 3D que permite a edição de polígonos mesh, curvas Bezier, e superfícies NURBS. No processo de construção dos fantomas o ajuste do esqueleto como parte inicial é fundamental, pois através dele que são definidas as posições dos órgãos e tecidos. É recomendado que órgãos e tecidos vizinhos sejam ajustados simultaneamente para manter suas posições relativas anatomicamente corretas. Por esta razão eles foram divididos em quatro regiões: cabeça, tronco superior (pescoço+tórax), tronco medial (abdômen) e tronco inferior (abdômen+pelve). Estas regiões são formadas por modelos de órgãos representados na Figura 1 e órgãos modelados utilizando os recursos do Blender. Em ambos os casos, atlas de anatomia forneceram as informações necessárias para concepção final dos órgãos e tecidos14. O programa Binvox15 possui a capacidade de ler um arquivo de um modelo 3D e salvar as informações num arquivo raw de voxels. Este programa é utilizado para converter em voxels os conjuntos de órgãos das quatro regiões descritas anteriormente e mais três conjuntos: ossos dos membros superiores e dois para os membros inferiores. Adicionalmente são convertidos os modelos 3D da superfície, linfonodos e músculos. O programa de processamento de imagens ImageJ16, desenvolvido pelo National Institute of Health, é empregado para combinar os arquivos voxel dos órgãos e tecidos. Usando o ImageJ a pele é definida no primeiro voxel da superfície do fantoma com exceção dos olhos. São inseridos volumes de tecido mole em torno dos músculos para representar a fáscia muscular e tendões, assim como ao redor de alguns órgãos para representar o tecido conectivo e vasos sanguíneos. Após o ajuste do tecido mole e pele os volume remanescente é definido como gordura. Além destes ajustes é utilizado um procedimento para definir volumes no interior dos ossos para representar o tecido esponjoso e medula óssea medular. O volume final dos órgãos voxelizados é comparado com os dados de referência da ICRP8911. Quando a diferença entre os volumes é em torno de 5% os ajustes são realizados diretamente no órgão voxelizado, para diferenças maiores os ajustes são realizados no mesh do órgão no Blender e ele é novamente convertido em voxel. MakeHuman Modelos 3D obtidos da internet Blender Atlas Anatômicos Binvox Referência ICRP 89 ImageJ Figura 2. Fluxograma do processo de construção dos fantomas MAX_AA e FAX_AA. A linha tracejada representa informações sobre o volume dos órgãos que só podem ser obtidas com precisão após o processo de voxelização. Figura 3. Interface com os controles de ajuste e modelo 3D básico do programa MakeHuman14. Figura 4. Mesh do modelo importado no Blender para oa construção do fantoma MAX_AA. Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):93-7. 95 Cassola VF, Kramer R, Lima VJM, Khoury HJ Figura 5. Visualização da pélvis feminina (esquerda) e pélvis masculina (direita). Figura 7. Representação dos mesh dos órgãos dos fantomas MAX_AA e FAX_AA e suas respectivas versões voxelizadas17. Agradecimentos Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq e Fundação de Amparo à Ciência do Estado de Pernambuco - FACEPE pelo auxílio financeiro. Referências Figura 6. Representação dos mesh das superfícies dos fantomas MAX_AA e FAX_AA e suas respectivas versões voxelizadas17. Resultados A superfície mesh do modelo masculino gerado com o programa MakeHuman e salvo em formato WaveFront e importado para o programa Blender pode ser visualizada na Figura 4. O modelo de esqueleto, evidenciado na Figura 1, teve suas dimensões, volume e posições relativas de suas partes revisadas e os ossos da pélvis foram modelados de forma diferente nos modelos feminino e masculino (Figura 5). Praticamente todos os volumes dos órgãos segmentados nos fantomas MAX_AA e FAX_AA possuem diferenças menores que 2,5% em relação aos dados publicados pela ICRP89. Nas Figuras 6 e 7 estão representadas as versões mesh e voxelizadas da pele e dos órgãos dos fantomas desenvolvidos. Discussão e conclusões Foi demonstrado ser possível gerar fantomas de voxel, a partir de modelos mesh, usando apenas programas livres disponíveis na internet e informações anatômicas obtidas em atlas sem a necessidade de imagens digitais. 96 Revista Brasileira de Física Médica.2010;4(1):93-7. 1. Fisher HL, Snyder WS. Distribution of dose in the body from a source of gamma rays distributed uniformly in an organ. Report ORNL-4168, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, USA, 1967. 2. 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