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Radiologia Brasileira

Print version ISSN 0100-3984On-line version ISSN 1678-7099

Radiol Bras vol.37 no.3 São Paulo May/June 2004

http://dx.doi.org/10.1590/S0100-39842004000300007 

ARTIGO ORIGINAL

 

Determinação de dose absorvida em feixes de elétrons utilizado câmara de ionizacão de placas paralelas*

 

Determination of absorbed dose in electron beams using parallel-plane ionization chambers

 

 

Roseli T. BullaI; Linda V.E. CaldasII

IMestre em Ciências na área de Tecnologia Nuclear
IIDoutora em Ciências na área de Física Nuclear

Endereço para correspondência

 

 


RESUMO

OBJETIVO: O objetivo deste trabalho foi estabelecer um procedimento para a determinação dos fatores de calibração e de doses absorvidas em feixes de elétrons.
MATERIAIS E MÉTODOS: Foram utilizados um irradiador de 60Co e um acelerador linear Varian, modelo Clinac 2100C, com feixes de fótons e de elétrons. Foram estudadas câmaras de ionização do tipo dedal e de placas paralelas.
RESULTADOS: Os sistemas de medidas foram submetidos aos testes preliminares (estabilidade de resposta e corrente de fuga), com resultados muito bons. Quatro métodos de calibração de câmaras de ionização para utilização em feixes de elétrons foram testados. Para a determinação da dose absorvida em feixes de elétrons foram aplicadas três metodologias propostas pela Agência Internacional de Energia Atômica, com a obtenção de resultados concordantes em quase todos os casos.
CONCLUSÃO: A maior parte das câmaras de ionização estudadas mostrou-se viável, com desempenho dentro dos limites internacionais estabelecidos.

Unitermos: Dose absorvida; Câmaras de ionização; Feixes de elétrons; Calibração de instrumentos.


ABSTRACT

OBJECTIVE: The objective of this paper was to establish a procedure for the determination of calibration factors and absorbed doses in electron beams.
MATERIALS AND METHODS: An irradiator with a 60Co source and a linear accelerator Varian, Clinac 2100C, with photon and electron beams, were utilized. Thimble type and parallel-plane ionization chambers were tested.
RESULTS: The measurement systems showed very good results in the preliminary tests (response stability and leakage current). The ionization chambers used for electron beam dosimetry were calibrated using four different methods. For the determination of absorbed dose, three methodologies recommended by the International Atomic Energy Agency were applied. Concordant results were obtained in almost all cases.
CONCLUSION: The majority of the ionization chambers tested showed good results according to the established international limits.

Key words: Absorbed dose; Ionization chambers; Electron beams; Calibration of instruments.


 

 

INTRODUÇÃO

Nos últimos anos a radioterapia desenvolveu-se muito a partir da terapia com raios X de ortovoltagem e com cobalto a uma especialidade clínica avançada, empregando feixes de fótons e de elétrons de energias altas com auxílio de computadores no planejamento de tratamentos(1). A aplicação dos feixes de radiação de aceleradores lineares em radioterapia com doses altas de radiação exige que haja exatidão na distribuição da dose absorvida no volume do tumor, mostrando que uma variação na distribuição de 5%(2,3) nessa exatidão pode representar o controle ou a falha de alguns tratamentos. Com isso, surgiu a necessidade de se controlar periodicamente o desempenho dos feixes por meio de procedimentos de dosimetria.

A maioria das recomendações dos protocolos nacionais e internacionais(4–11) sobre dosimetria clínica tem reconhecido as vantagens do uso de câmaras de ionização de placas paralelas para dosimetria de feixes terapêuticos de elétrons para maior exatidão dosimétrica. As características de construção destas câmaras permitem que o efeito de perturbação seja reduzido e que elas também sejam ideais para medidas em objetos simuladores(4,6,11–14). Para utilização das câmaras de ionização nas medidas de dosimetria de feixes de radiação (nível radioterapia) é necessário que elas sejam previamente calibradas em feixes padrões de radiação, para se obter uma resposta com um alto grau de confiança nos laboratórios específicos para este fim.

A Agência Internacional de Energia Atômica (IAEA) publicou as recomendações para a determinação de dose absorvida em feixes de fótons e elétrons inicialmente em 1987(6), que foram testadas em diversos países. As recomendações(12–18) dos pesquisadores e metrologistas da área são que as câmaras de ionização de placas paralelas utilizadas em dosimetria de feixes de elétrons podem ser calibradas em feixes de radiação gama de 60Co, tomando-se certas precauções e estabelecendo-se os parâmetros físicos dos feixes e dos sistemas de medidas, já que não há aceleradores de elétrons na grande maioria dos laboratórios de calibração. É, portanto, necessário que cada laboratório de calibração estabeleça as suas condições adequadas e o seu procedimento para esta atividade.

Com este intuito, foi realizado um estudo para se estabelecer um procedimento para a determinação do fator de calibração em termos de dose absorvida no ar em feixes de radiação gama de 60Co do laboratório de Calibração de Instrumentos do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (LCI-Ipen/São Paulo) e com feixes de elétrons de altas energias do Hospital Israelita Albert Einstein (HIAE). Todos os métodos de calibração de câmaras de ionização de placas paralelas utilizadas nos procedimentos de dosimetria de feixes de elétrons de energias altas (aceleradores clínicos) apresentados neste trabalho mostraram-se viáveis e dentro dos limites estabelecidos pelas normas internacionais. Por meio destes fatores de calibração obtêm-se as doses absorvidas num ponto de referência da câmara de ionização.

 

MATERIAIS E MÉTODOS

Antes da calibração de instrumentos, deve-se verificar se os arranjos experimentais e os sistemas de medidas estão em boas condições de funcionamento e se os resultados das medidas estão dentro dos limites de variação recomendados(3). Com esta finalidade, tanto os feixes de radiação gama e de elétrons como as câmaras de ionização utilizadas neste estudo foram submetidas a testes de qualificação técnica e operacionais, antes dos experimentos relativos à calibração.

Sistemas de radiação

Para a irradiação gama foi empregado um irradiador com uma fonte de 60Co, Philips, modelo XR2000, do LCI-Ipen. Para a irradiação com elétrons foi empregado um acelerador linear, Varian, modelo Clinac 2100C, pertencente ao HIAE, com dois feixes de fótons com energias nominais de 6 e 18 MeV e cinco feixes de elétrons com energias nominais de 4, 6, 9, 12 e 16 MeV.

As condições ambientais, tanto da sala de calibração como de radioterapia, foram controladas por meio de um sistema de ar condicionado, um desumidificador, e com auxílio de um barômetro portátil, de um termômetro digital e de um higrômetro.

Sistemas de medidas

Os sistemas de medidas usados neste trabalho têm as câmaras de ionização acopladas aos seus respectivos eletrômetros; suas especificações estão apresentadas na Tabela 1. O sistema de referência utilizado foi uma câmara Nuclear Enterprises (NE), tipo dedal, modelo 2505, série 2080, com rastreabilidade ao Laboratório Nacional de Metrologia das Radiações Ionizantes (LNMRI), Rio de Janeiro, RJ.

O tempo de estabilização dos sistemas constituídos pelas câmaras e seus eletrômetros foi de 30 minutos antes do início das medidas.

Foram utilizados dois eletrômetros Keithley, modelo 35614 EBS, e um Physikalisch-Technische Werkstätten (PTW), modelo 10002.

Fontes radioativas de controle

Nos testes de controle de qualidade periódicos dos sistemas de medidas para a verificação do seu desempenho e da confiabilidade foram utilizadas fontes radioativas de controle de 90Sr. Para as câmaras de ionização de placas paralelas foi utilizada uma fonte de controle PTW, modelo 8921, com atividade nominal de 33 MBq (1994). Para as câmaras de ionização tipo dedal foi utilizada uma fonte de controle NE, modelo 2503/03, com atividade nominal de 370 MBq (1976). Estas fontes radioativas pertencem ao LCI-Ipen/SP.

Objetos simuladores

Foram utilizados os seguintes objetos simuladores ("phantoms"):

a) Simulador de água da IAEA, com dimensões de 30 × 30 × 30 cm³, sendo que o material das suas paredes e dos suportes para as câmaras de ionização é de acrílico (PMMA); pertence ao Ipen.

b) Simulador sólido, projetado e confeccionado no Ipen, com dimensões de 30 × 30 × 20 cm³, sendo que o material das placas e das placas-suportes das câmaras de ionização é de PMMA; pertence ao Ipen.

c) Simulador de água, PTW, com dimensões de 40 × 40 × 40 cm³, sendo que o material das suas paredes e dos suportes para as câmaras de ionização é de PMMA; pertence ao HIAE.

 

RESULTADOS

Os testes de qualificação têm por objetivo assegurar o bom desempenho dos sistemas antes, durante e após as medidas realizadas.

Testes preliminares

Nos sistemas de calibração os testes realizados referem-se à disposição dos sistemas e de seus acessórios, ao seu alinhamento, às dimensões e à uniformidade do campo de radiação.

Os sistemas de medida devem ser testados no que diz respeito à estabilidade a curto e a longo prazo, e à corrente de fuga. Todos os testes foram realizados com o auxílio das fontes radioativas de controle. No teste de repetibilidade das câmaras analisadas — sistemas A e C —, os valores foram satisfatórios dentro de 0,5%, limite recomendado pelas normas internacionais para estes tipos de câmaras de ionização(19). Realizando-se os testes de repetibilidade periodicamente, sempre sob as mesmas condições geométricas, tem-se o teste de estabilidade a longo prazo. As medidas de estabilidade a longo prazo das câmaras de ionização dos sistemas A e C (Figuras 1 e 2) apresentaram-se perfeitamente dentro das exigências dos protocolos internacionais.

 

 

 

 

As medidas de corrente de fuga dos sistemas A e C têm-se mantido dentro dos limites estabelecidos, sempre menores que 0,3%; isto era esperado, já que as câmaras de ionização, os cabos de conexão e os eletrômetros são mantidos em local seco e com sílica gel, para se evitar a produção de cargas devido à presença de umidade, que pode ser um dos principais responsáveis pela produção da corrente de fuga.

Outros testes operacionais devem ser aplicados às câmaras de ionização, pois na prática as condições de referência exigidas pelos protocolos TRS 277(6) e TRS 381(13) não são verificadas. Os testes adicionais foram: determinação da eficiência de coleção de íons, efeito de polaridade e variação com a energia da radiação incidente. As câmaras analisadas apresentaram desempenho excelente.

Todas as medidas obtidas, além da correção para as condições ambientais de temperatura e pressão, foram ainda corrigidas considerando-se o decaimento radioativo das fontes de controle.

Determinação da dose absorvida

Em radioterapia, a intensidade de radiação se expressa em unidades bem definidas de kerma no ar ou dose absorvida num meio definido. Para tanto, existe a necessidade de se controlar periodicamente o desempenho dos feixes por meio de procedimentos de dosimetria.

O formalismo para a dosimetria de feixes de elétrons com câmara de ionização preenchida com ar, adotado pela maioria dos protocolos de dosimetria e metrologistas da área(4–13,20,21), compreende um procedimento de duas etapas: 1) determinação do fator de calibração de dose absorvida no ar, a partir da calibração da câmara em um laboratório padrão; 2) aplicação da relação de Bragg-Gray modificada por Spencer-Attix para a determinação da dose absorvida na água no feixe do usuário.

Na dosimetria clínica, a água é o material padrão de referência e de uso para a determinação da dose absorvida, por sua constância em composição, homogeneidade e facilidade de obtenção. Entretanto, a maioria dos protocolos permite que objetos simuladores sólidos de material plástico sejam utilizados na calibração do feixe de elétrons. Os objetos simuladores sólidos apresentam uma facilidade maior de manuseio e excelente reprodutibilidade geométrica, sendo recomendados, principalmente, para dosimetria de feixes de elétrons com energias menores que 10 MeV, em que o alcance dos elétrons é pequeno e o emprego conjunto da câmara de ionização de placas paralelas e do objeto simulador sólido é recomendado. No caso da dose absorvida na água, determinada por intermédio de câmaras de ionização cilíndricas ou de câmaras de placas paralelas, utiliza-se a equação 1, conforme o formalismo dos atuais protocolos de dosimetria.

Pela equação de Bragg-Gray(6), a dose absorvida em água (Dw) num ponto de interesse (i.e., num ponto efetivo de medida da câmara, Pef), e numa profundidade de referência para cada energia, é dada por:

onde: M é a leitura do eletrômetro para o dosímetro, corrigida para as condições ambientais; ND,ar é o fator de calibração da câmara de ionização em termos de dose absorvida no ar; Ságua,ar é a razão entre os poderes de freamento da água para o ar; Pu é o fator de perturbação da câmara de ionização; Pcel é o fator que leva em conta a "não equivalência de ar" do material no eletrodo central de uma câmara.

Quando as medidas forem realizadas num objeto simulador sólido (plástico), a leitura do eletrômetro Mplástico tem que ser convertida num valor correspondente às leituras dentro de um simulador de água, por meio da expressão:

onde: hm é o fator que corrige a fluência dos elétrons, devido à troca do material do simulador pela parede da câmara e pela cavidade, dado no protocolo IAEA TRS 381(13).

Neste trabalho, antes da aplicação do protocolo TRS 381(13) para a determinação da dose absorvida em feixes de elétrons, foi realizado um estudo para se estabelecer um procedimento para a determinação do fator de calibração em termos de dose absorvida no ar, em feixes de radiação gama de 60Co e de elétrons de energias altas. Os quatros métodos testados foram:

Método ICalibração no ar. Neste método o procedimento aplica o mesmo formalismo utilizado para as câmaras cilíndricas e calibra-se a câmara de ionização de placas paralelas em termos de kerma no ar, kar, no feixe de radiação gama do 60Co. Na calibração, a câmara é posicionada de tal maneira que o centro de sua cavidade de ar esteja no ponto onde kar é conhecido com uma capa de equilíbrio eletrônico (~0,5 g/cm²) em comparação a uma câmara de ionização cilíndrica de referência com o fator de calibração em kerma no ar conhecido, A partir do fator Nk determinado, o fator ND é calculado utilizando-se a expressão:

onde: NK é o fator de calibração em termos de kerma no ar; ND,ar é o fator de calibração em termos de dose absorvida no ar; pp e Ref são índices que se referem às câmaras de ionização de placas paralelas em estudo e às câmaras de ionização de referência; g é a fração da energia liberada que é dissipada como "Bremsstrahlung" (radiação de freamento) no ar e é aproximadamente 0,3% para radiação gama do 60Co; katt é o fator de correção que leva em conta a atenuação (absorção e espalhamento) nas paredes de uma câmara de ionização irradiada durante a calibração; km é o fator de correção que leva em conta a "não equivalência de ar" (na calibração) dos materiais da parede e capa de equilíbrio eletrônico da câmara de ionização.

Método IICalibração no simulador de água. Neste método, o estudo foi realizado com feixes de radiação gama de 60Co e de elétrons de energias altas. A câmara de placas paralelas foi calibrada em comparação a uma câmara de ionização cilíndrica previamente calibrada e com ND,ar conhecido numa profundidade de referência (para os feixes de elétrons de energia nominal de 16 MeV foi de 2 g/cm² e para feixes de radiação gama de 60Co foi de 5 g/cm²) em um simulador de água. O fator desconhecido é obtido por:

onde: é o fator de calibração da câmara em termos de dose absorvida no ar; MRef e Mpp: são leituras das câmaras de ionização cilíndrica e de placas paralelas, respectivamente, corrigidas para as condições de referência ambientais (fT,p): pressão, temperatura e umidade relativa do ar (kh), e para o efeito de correção da recombinação (Ps); é o fator de correção da parede da câmara cilíndrica de referência; é o fator que leva em conta a "não equivalência de ar" do material no eletrodo central de uma câmara de ionização; é o fator de deslocamento do ponto efetivo da câmara e é igual a 1 – 0,004.r, onde r é o raio interno da câmara de referência em mm; é o fator de correção da parede da câmara de placas paralelas.

• Método IIICalibração no simulador sólido. A metodologia empregada é a mesma que a do método II, fazendo-se correção na leitura da medida, Mplást, realizada num simulador de placas sólidas, o qual deve ser de mesmo material da câmara de placas paralelas.

• Método IVCalibração no simulador sólido com radiação gama de 60Co. A calibração é feita na situação de dose máxima num simulador sólido. A câmara de placas paralelas é colocada com a superfície frontal da cavidade numa profundidade de referência de 0,5 g/cm² do simulador de placas, em comparação a uma câmara cilíndrica previamente calibrada no ar livre no seu ponto de referência. Com calculado pela equação 3, obtém-se por:

onde: kpp = (katt.km.Bm); Bm é o fator que corrige o retroespalhamento do material do simulador ao redor da câmara. O fator de retroespalhamento para um campo de 10 × 10 cm², descrito por Johns e Cunningham(21), é igual a 1,035.

Os resultados deste estudo estão perfeitamente dentro do que as recomendações internacionais sugerem para uma calibração deste tipo de câmara. O mesmo aplica-se em relação à incerteza total associada ao fator de calibração da câmara, tanto em termos de dose absorvida no ar em feixes de radiação gama de 60Co como de elétrons, em termos de dose absorvida na água. Foram utilizadas as condições de referência dos feixes de radiação para se minimizar os erros e reproduzir as condições de calibração recomendadas pelo protocolo TRS 381(13) (Tabela 2). Os resultados são apresentados na Tabela 3. Nas calibrações, a câmara de ionização de referência de trabalho utilizada, com fator de calibração conhecido, foi a câmara NE, modelo 2505, série 2080.

 

 

 

 

Segundo alguns autores(17,22,23), as variações entre câmaras de mesmo modelo podem ser significantes e afetar a confiabilidade dos valores de ND derivados de calibração em 60Co no ar.

Assim, a dose absorvida Dw determinada em um ponto de interesse em um meio numa profundidade de referência usando câmaras de placas paralelas em feixes de elétrons, segundo o protocolo internacional TRS 381(13), pode-se obter por três metodologias:

Primeira metodologia: Determinar a dose absorvida em feixes de elétrons do usuário numa profundidade de referência num simulador de água (ou PMMA) usando a câmara de placas paralelas calibrada em termos de dose absorvida no ar (), pela intercomparação com uma câmara cilíndrica de referência de trabalho num simulador em feixes de elétrons; a câmara cilíndrica de referência de trabalho tem um fator de calibração conhecido, determinado em feixes de 60Co. A seqüência de calibração de uma câmara de placas paralelas está representada na Figura 3.

 

 

Segunda metodologia: Determinar a dose absorvida em feixes de elétrons do usuário numa profundidade de referência num simulador de água (ou PMMA) usando a câmara de placas paralelas calibrada pela intercomparação com uma câmara cilíndrica de referência de trabalho num simulador em feixes de 60Co; a câmara cilíndrica de referência de trabalho tem um fator de calibração conhecido, determinado em feixes de 60Co. A seqüência de calibração de uma câmara de placas paralelas está representada na Figura 4.

 

 

Terceira metodologia: Determinar a dose absorvida em feixes de elétrons do usuário numa profundidade de referência num simulador de água (ou PMMA) usando a câmara de placas paralelas calibrada em termos de kerma no ar (), pela intercomparação com uma câmara cilíndrica de referência com o fator de calibração conhecido, determinado numa calibração em ar livre com feixes de 60Co. Por meio de cálculos, obtém-se o fator de calibração em termos de dose absorvida no ar (). A seqüência de calibração de uma câmara de placas paralelas está representada na Figura 5.

 

 

A Tabela 4 apresenta os resultados das doses absorvidas em feixes de elétrons obtidas pelas três metodologias.

 

 

As medidas com a câmara Holt do sistema F foram realizadas num simulador de PMMA, embora a recomendação do protocolo TRS 381(13) seja de um simulador com o material de poliestireno (semelhante ao material da câmara), não disponível no laboratório.

Na primeira metodologia os resultados obtidos foram satisfatórios, segundo as recomendações dos protocolos, em especial ao protocolo TRS 381(13), com variação máxima menor que 1,0% nas taxas de dose absorvida em diferentes câmaras.

Na segunda metodologia, comparando-se os dados obtidos de dose absorvida com diferentes câmaras de mesma classificação (dedal ou placas paralelas), pode-se notar uma variação máxima de 1,9% em água e 5,1% em PMMA, observando-se que o efeito de retroespalhamento no simulador sólido é mais significante. Este valor está fora dos limites aceitáveis. Como mostra o trabalho de Andreo et al.(17), ainda há a necessidade de se estudar qual o melhor valor do fator hm que corrige a fluência dos elétrons, devido à troca do material do simulador.

Na terceira metodologia nota-se que os valores obtidos com o sistema E não estão condizentes com os demais sistemas. McEwen et al.(24) relataram também falta de concordância do desempenho da câmara de ionização tipo Markus com outras câmaras em feixes de elétrons. A variação máxima entre os outros sistemas do presente trabalho foi de 3,0%. A câmara dedal PTW neste caso apresentou valor fora dos limites aceitáveis. A análise do sistema F, nesta metodologia, foi realizada com o fator de calibração , obtido na calibração em feixes de radiação gama de 60Co pelo método IV, já que essa câmara não possui capa de equilíbrio eletrônico para calibrá-la pelo método I; mostrou uma variação porcentual de 2,1% em comparação com os outros sistemas.

A incerteza global associada ao fator de calibração de dose absorvida foi estimada em 3,5% (nível de confiança de 95%) nos resultados obtidos por estas metodologias com câmaras de placas paralelas, mostrando-se viáveis e dentro do limite de incerteza recomendado pelo protocolo da IAEA(13). No presente trabalho foram levadas em conta, para a determinação da incerteza global, as incertezas relativas às medidas, ao fator de calibração, ao posicionamento das câmaras, às condições ambientais e aos fatores de correção.

 

CONCLUSÃO

Os resultados deste estudo mostraram que a maior parte das câmaras de ionização testadas mostraram-se viáveis e com desempenho dentro dos limites estabelecidos. Foi observada influência significante do efeito de retroespalhamento quando se utiliza um simulador de placas sólidas.

Agradecimentos

As autoras agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), pelo auxílio financeiro parcial no desenvolvimento deste projeto; ao Sr. Marcos Xavier, pelo suporte técnico; à Dra. Laura Natal Rodrigues, por sugestões importantes no texto; ao Hospital Israelita Albert Einstein, pela oportunidade de utilização dos equipamentos de radiação; e em especial ao físico José Carlos Cruz, pelas discussões proveitosas.

 

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Endereço para correspondência
Dra. Linda V.E. Caldas
Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares
Avenida Professor Lineu Prestes, 2242
Cidade Universitária. São Paulo, SP, 05508-000
E-mail: lcaldas@ipen.br

Recebido para publicação em 18/7/2003
Aceito, após revisão, em 28/7/2003

 

 

* Trabalho realizado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares – Comissão Nacional de Energia Nuclear (Ipen-CNEN) e no Hospital Israelita Albert Einstein, São Paulo, SP.

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