Aplicações de métodos para validação de materiais radiologicamente equivalentes a tecido humano e à água - Sirico, Ana Carolina Albernaz (2020)
Materiais radiologicamente equivalentes ao tecido humano são projetados para replicar os efeitos da radiação eletromagnética dentro de diferentes tecidos humanos, como ossos, pulmões, tecidos moles, músculos e outros. O presente trabalho, teve como objetivo principal estudar métodos para validação de materiais radiologicamente equivalentes ao tecido humano e à água a partir da determinação da densidade mássica e do número atômico efetivo, análise do coeficiente de atenuação mássico a partir de imagens tomográficas convencionais e de dupla energia e análise do coeficiente de atenuação linear a partir da espectrometria por raios X. Ao total, dezessete amostras com base de polipropileno e resina epóxi foram estudadas. Dentre elas estão amostras radiologicamente equivalentes à água, tecido mole e materiais comerciais CIRS BR12 e CIRS 70/30. As amostras estudadas apresentaram diferenças entre 9 e 15% em relação a densidade do material de referência, com exceção das amostras MA8 e MA9 radiologicamente equivalentes ao CIRS BR12 com 1.6% e - 6.9% de diferença, respectivamente. Estes são os únicos materiais produzidos com base de polipropileno e esse resultado pode apontar que o polipropileno é mais indicado para ser utilizado como material-base, além de ser um material reciclável, diferentemente da resina epóxi. Os valores de número atômico efetivo foram determinados a partir do método de Manohara e validados pelo software Auto-Zeff. No intervalo de 60-150 keV os resultados de ambos os métodos são compatíveis com diferenças relativas menores que 12%. Entre 10-150 keV, os materiais radiologicamente equivalentes à água e os materiais TM1, TM3, MA1 e MA8 apresentaram diferenças relativas menores que 23% em relação aos seus materiais de referência. As discrepâncias observadas entre os valores de número atômico efetivo dos materiais produzidos e materiais de referência são sempre positivas. Este resultado estimula correções na metodologia de produção, por exemplo, incluindo-se o cálculo de Zef (E) como um limitante na escolha dos componentes das amostras. A análise computacional do Zef (E) é fácil e rápida, permitindo avaliar a compatibilidade entre as formulações de materiais radiologicamente equivalentes com diferentes tecidos do corpo humano em diferentes intervalos de energia. Como exemplo, os materiais AG3 e MA7 foram compatíveis com: ovário, cristalino, tecido pulmonar, músculo esquelético e testículo com menos de 6% de diferença relativa no intervalo de 1-150 keV. A análise do coeficiente de atenuação mássico dos materiais a partir de imagens de tomografia computadorizada convencional mostra que as amostras AG1, AG2, AG3 e AG5 são compatíveis aos coeficientes de atenuação mássicos previstos pela metodologia de Mariano & Costa. Em relação aos coeficientes mássicos da água obtidos pelo XCOM, estas amostras apresentaram diferenças relativas de 4 a 7%. A análise do coeficiente mássico a partir de imagens de tomografia computadorizada de dupla energia mostram que os materiais AG1, AG2, AG3 e AG5 possuem diferença relativa média menor que 7% em relação ao coeficiente mássico da água. A determinação do coeficiente de atenuação linear a partir da espectrometria é um dos métodos mais confiáveis, porém exige acuidade na geometria do arranjo experimental. Nesta análise, os valores de coeficiente de atenuação linear da amostra AG2 é compatível com a água no intervalo de 40-100 keV com ± 5% de diferença como determinado pelo ICRU Report 44. Para a amostra AG6 o intervalo de compatibilidade é entre 40-80 keV e para a amostra MA8 entre 31-40 keV. Para energias menores que 30 keV e maiores que 100 keV será necessário refinar a metodologia experimental para obter estimativas de coeficiente de atenuação com menor incerteza nesses intervalos. A comparação entre os resultados de coeficiente de atenuação linear a partir da análise por tomografia computadorizada e espectrometria mostram que os valores de coeficiente de atenuação lineares obtidos para os dois métodos são concordantes.