DETECTORES POR LUMINESCÊNCIA

sofrem excitação, podendo absorver energia da radiação incidente que é transferida para cargas do material. Estas por sua vez, podem ser aprisionadas em sítios ou regiões específicas do material, em estados metaestáveis de energia. Tal material, após a irradiação, ao ser submetido a um estímulo, óptico ou térmico, libera as cargas nos estados metaestáveis, que podem se recombinar emitindo fótons luminosos ou energia na forma de luz ultravioleta, visível ou infravermelha. Se a intensidade luminosa for proporcional a dose de radiação ao qual o material foi exposto, este é dito dosimétrico e pode ser utilizado como um detector por luminescência (YUKIHARA e MCKEEVER, 2011, MALTHEZ, 2015).

3.4.4.1 TERMOLUMINESCÊNCIA E LUMINESCÊNCIA OPTICAMENTE

ESTIMULADA

Dentre os detectores por luminescência mais empregados em dosimetria, destacam-se os detectores passivos baseados nos fenômenos da termoluminescência, chamados de detectores TL (Termoluminescentes), ou na luminescência opticamente estimulada, chamados de detectores OSL. Em relação aos detectores já apresentados, estes apresentam tamanho reduzido, vida útil relativamente longa já que não tem eletrônica associada e baixo custo (YUKIHARA e MCKEEVER, 2011, MALTHEZ, 2015)

Os detectores TL e OSL apresentam princípios físicos semelhantes para emissão do sinal luminoso, diferindo apenas no estímulo empregado. Os materiais TL empregam calor ou aquecimento no processo de leitura, enquanto os detectores OSL empregam estímulo luminoso ou óptico (YUKIHARA e MCKEEVER, 2011).

A Figura 4 apresenta o modelo de bandas simplificado que pode ser utilizado para explicar os fenômenos de TL e OSL.

Figura 4 - Estágios para emissão de um sinal TL ou OSL: (a) Excitação do material TL ou OSL por meio da radiação ionizante (b) Período de latência e (c) Excitação do material TL/OSL com calor ou luz com emissão de luminescência (sinal TL ou OSL).

Fonte: YUKIHARA e MCKEEVER, 2011.

Quando um material que exibe TL e/ou OSL é exposto à radiação, a deposição de energia no material pode ocasionar ionização ou excitação, resultando na criação de um par elétron/ buraco, já que os elétrons ganham energia suficiente para poder se mover livremente pela banda de condução, deixando buracos em seu lugar, os quais podem mover-se livremente pela banda de valência. Os elétrons e buracos livres podem ser aprisionados nos estados metaestáveis de energia localizados entre a banda de valência e condução, estes níveis de energia são representados na Figura 4 como armadilhas de elétrons (próximas à banda de condução) e armadilhas de buracos (próximas à banda de valência). A Figura 4b ilustra o período de latência, o qual é caracterizado por uma concentração estável de elétrons e buracos aprisionados nas armadilhas. A informação armazenada no material pode ser obtida estimulando o material com fótons de comprimento de onda de estimulação adequado ou aquecendo o material até uma temperatura na qual os elétrons aprisionados nas armadilhas de elétrons ganham energia suficiente para poderem se mover livremente pelo material e se recombinar com os buracos aprisionados, emitindo assim um sinal OSL ou TL, dependendo do tipo de estimulação, que pode ser associado à dose de radiação absorvida pelo material (MALTHEZ, 2015).

3.4.4.2 DETECTORES POR LUMINESCÊNCIA OPTICAMENTE ESTIMULADA

Embora os detectores TL sejam amplamente utilizados, inclusive em auditorias e dosimetria em radioterapia (LIMA, 2001), e apresentem diversas vantagens, como um amplo número de materiais disponíveis em diversas formas como pó, lascas, barras e fitas sendo que, os mais utilizados em aplicações médicas são LiF: Mg, Ti, LiF: Mg, Cu, P e Li2B4O7: Mn (PODGORSAK, 2005), devido ao estimulo térmico

empregado na leitura e do sistema dosimétrico adotado, necessitam de linha de gás e forno para tratamento térmico. Além disso, é relato que o aquecimento pode alterar a propriedade dos materiais alterando assim a resposta quanto a sensibilidade do material (MCKEEVER et al., 1995, MCKEEVER e MOSCOVICHT, 2003).

Os detectores OSL, embora apresentem a vantagem de não utilizar calor na leitura, possuem como principal desvantagem o número de materiais comerciais disponíveis. Atualmente os dois principais sistemas de dosimetria OSL são baseados no Al2O3:C (LANDAUER, 2019) e no BeO (DOSIMETRICS, 2019), sendo

majoritariamente as aplicações em dosimetria na área médica relatadas na literatura baseadas no Al2O3:C (LANDAUER, 2019) (YUKIHARA et al, 2015).

Devido a rapidez e facilidade na leitura e a natureza óptica do processo, diversos grupos têm pesquisado novos materiais OSL e testado as aplicações em dosimetria das radiações (SARIKAYA, 2011, ASFORA, 2016, TWARDAK et al., 2014, MARCZEWSKA et al., 2016). Dentre estes, destacam-se os detectores OSL baseados na fluorita natural brasileira, basicamente compostos de CaF2 (MALTHEZ

et al., 2018a, YOSHIMURA e YUKIHARA, 2006).

Um estudo publicado recentemente por MALTHEZ et al. (2018a), mostrou que detectores de CaF2 apresentaram ampla faixa de dose resposta, reposta a vários tipos

e energia das radiações, incluindo prótons e boa estabilidade do sinal ao longo do tempo, viabilizando sua aplicação em dosimetria na área médica.

Recentemente, pesquisadores da UTFPR apresentaram detectores OSL de CaF2 em folhas, baseados na fluorita natural brasileira. Os pesquisadores reportaram

que utilizando esse material é possível a avaliação de distribuição de dose bidimensional, fora as demais aplicações apresentadas pelos detectores em pó ou pastilhas, como ampla faixa de dose, resposta linear, sensibilidade a diversos tipos de energias da radiação e possibilidade de releitura (MALTHEZ et al., 2018b).

4 MATERIAIS E MÉTODOS

Para validar o uso das folhas detectoras OSL de CaF2 para aplicações em

radiocirurgia, foram realizados três planejamentos com a técnica VMAT, empregando doses hipofracionadas (300 e 600 cGy) e dose única (2100 cGy), em fantoma antropomórfico, e realizado o CQ com câmara de ionização, conforme recomendações internacionais, e com folhas OSL. Em seguida, foi executado o tratamento planejado no fantoma antropomórfico com folhas detectoras OSL inseridas internamente para verificar a entrega de dose.

O planejamento e as irradiações foram realizados na Clinirad – Clínica de Radioterapia e Quimioterapia sede Curitiba - Instituto Halsted. Foi utilizado um acelerador linear Elekta (modelo Synergy Full), com feixe de fótons de 6 e 15 MV e elétrons de 4, 6, 9, 12 e 15 MeV. Neste trabalho o planejamento e as irradiações foram feitos no feixe de fótons de 6 MV.

No CQ, uma câmara de ionização PTW semi-flex (modelo TN31010), certificado de calibração Anexo A, foi empregada juntamente com um eletrômetro PTW (Unidos E) acoplado, como mostra a Figura 5.

Figura 5 – (b) Câmara de ionização PTW semi-flex (modelo TN31010) e (a) eletrômetro PTW (Unidos).

Fonte: Autora

A Figura 6 mostra o fantoma empregado no CQ e na calibração das folhas detectoras. Este é composto por placas de polimetilmetacrilato com densidade equivalente à água, popularmente conhecidas como placas de “água sólida”, com encaixe para câmara de ionização em região central medindo 30 x 30 cm², totalizando 16 placas de 1 cm de espessura, 2 placas de 0,5 cm formando assim um fantoma de

dimensões 30 x 30 x 17 cm³. Vale ressaltar que este fantoma atende as recomendações do Report TG 119 (EZZELL et al, 2009).

Figura 6 - Fantoma de dimensões 30 x 30 x 17 cm³ e câmara de ionização PTW semi-flex (modelo TN31010).

Fonte: Autora

As folhas detectoras OSL de CaF2 fornecidas pela UTFPR - CT foram

produzidas a partir da fluorita nacional brasileira utilizando a técnica a frio descrita por MALTHEZ et al. (2018b). A Figura 7 mostra as folhas detectoras OSL, em diferentes formatos, que foram cortadas em diferentes tamanhos para o CQ e dosimetria, e embaladas em papel cartão preto, quando necessário, para prevenir a exposição a luz.

Figura 7- Folhas detectoras OSL de CaF2 produzidas na UTFPR-CT

Fonte: Autora

A Figura 8 apresenta o leitor OSL, desenvolvido e em funcionamento no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP), onde foram realizadas as leituras de todas as folhas detectoras OSL empregadas neste estudo. Este foi utilizado no modo pulsado empregando LED verdes para estimulação. Para leitura das folhas detectoras, estas foram cortadas em tiras de aproximadamente 0,5 cm de largura.

Neste leitor, os valores de intensidade OSL são integrados no intervalo de tempo entre os pulsos de estimulação (1000 ms) conforme a fita OSL é deslocada na plataforma do leitor a cada 1 mm.

Figura 8 - Leitor OSL linear do IFUSP e fita detectora OSL de CaF2 identificada.

Fonte: Autora

Com o objetivo de validar o uso de folhas detectoras OSL em radiocirurgia, a parte operacional do planejamento e irradiação foi dividida em duas etapas.

Na primeira etapa realizaram-se os testes de garantia da qualidade em aceleradores lineares seguindo as recomendações apresentadas no TECDOC 1151, enfatizando principalmente os testes mecânicos, como teste de isocentro do colimador, teste de isocentro da mesa, teste de isocentro do gantry e campo luminoso x campo radioativo conforme a Figura 9.

Figura 9 - Testes mecânicos de garantia de qualidade em aceleradores. Superior da esquerda para direita: Teste de isocentro de colimador, teste de isocentro da mesa e teste de isocentro do gantry e,

abaixo, teste de campo luminoso x campo radioativo.

Fonte: Autora

Juntamente com os testes mecânicos realizaram-se os testes dosimétricos para verificar a constância da dose de referência. Estes, descritos no TRS 398 e recomendados no TECDOC 1151, são aceitos pela legislação nacional como padrões de garantia da qualidade na entrega de dose no paciente. O teste consiste em verificar se 100 (cem) unidades monitoras entregues pelo acelerador linear equivale a 100 cGy de dose absorvida.

Para o teste dosimétrico foi utilizado um fantoma de água 40 x 40 x 40 cm³ e uma câmera de ionização PTW farmer (modelo TN30013), certificado de calibração no Anexo B, com campo 10 x 10 cm² na profundidade de dose máxima 1,5 cm e distância da fonte até a superfície de 100 cm como mostra a Figura 10.

Figura 10 - Testes dosimétricos de garantia de qualidade em aceleradores. A esquerda vista lateral do fantoma e a direita vista superior do fantoma.

Fonte: Autora

Os testes dosimétricos realizados apresentaram que 100 (cem) unidades monitoras entregues pelo acelerador linear equivale a 99,871 cGy de dose absorvida, resultando em uma diferença de menos 0,13% a qual estava dentro dos valores de referência que toleram até 2% de variação.

Na segunda etapa para comparar os controles de qualidade usando câmara de ionização e as folhas detectoras, foi realizado uma tomografia de crânio utilizando o simulador antropomórfico adulto Alderson Radiation Therapy Phanton (ART 210) onde foi determinado um alvo, como mostrado na Figura 11.

Figura 11 - Imagem tomográfica do simulador antropomórfico com delimitação de alvo.

Fonte: Autora

Após a tomografia foram realizados três planejamentos no sistema MonacoElekta com fracionamento único com doses de 300 cGy, 600 cGy e 2100 cGy utilizando a tecnologia VMAT e empregando fótons de 6 MV como mostra a Figura 12.

Figura 12 - Planejamento radiocirurgia (VMAT) em simulador antropomórfico.

Fonte: Autora

Para criar o controle de qualidade “padrão ouro” empregando a câmara de ionização, foi utilizado o sistema de planejamento MonacoElekta, sendo o planejamento completo realizado no simulador antropomórfico, mesmo arco, ângulo de gantry, mesmos segmentos e as mesmas unidades monitoras e suas respectivas doses de tratamento transferidas à tomografia de um fantoma, composto por placas de polimetilmetacrilato com densidade equivalente à água com encaixe para câmara de ionização em região central medindo 30 x 30 cm² totalizando 17 centímetros de altura. O isocentro de tratamento foi posicionado no fantoma para que o volume sensível da câmara de ionização ficasse na região homogênea de dose (região do volume-alvo de maior dose) diminuindo as incertezas durante as medidas, conforme mostrado na Figura 13.

As leituras obtidas utilizando a câmara de ionização (em nC - nanocoulomb) foram convertidas em dose absorvida (cGy) utilizando o coeficiente de calibração ou fator rendimento diário de 33,11807 nC/cGy, adquirido através da irradiação do fantoma com campos paralelo-opostos 10 x 10 cm² ajustados no isocentro do fantoma, conforme recomendações internacionais para corrigir possíveis diferenças no rendimento diário do acelerador linear.

Figura 13 - Fantoma polimetilmetacrilato 30 x 30 x 17 cm³ com densidade equivalente à água no sistema de planejamento Monaco Elekta.

Fonte: Autora

Para o controle de qualidade empregando as folhas detectoras OSL de CaF2, estas

foram primeiramente calibradas para energia de fótons de 6 MV. Para isso, as tiras de folhas detectoras OSL, com aproximadamente 2 cm de comprimento, 0,5 cm de largura e poucos milímetros de espessura, foram embaladas aos pares em papel cartão preto radiotransparente, resultando em oito embalagens e irradiadas no acelerador linear com doses de 190 a 1000 cGy (Figura 14). Isso possibilitou a avaliação do fator de calibração, obtido através do coeficiente angular do ajuste linear dos dados, o qual foi utilizado para converter os valores de intensidade OSL (sinal luminoso emitido) em dose (em cGy).

Figura 14 - Irradiação para levantamento do fator de calibração nas folhas detectoras OSL.

Fonte: Autora

Para a validação da dose planejada a ser entregue utilizando as folhas OSL de CaF2,

3 fitas detectoras OSL, com as mesmas dimensões das tiras utilizadas na calibração e embaladas separadamente em plástico preto radiotransparente, foram posicionadas na mesma localização da câmara de ionização no fantoma composto por placas de polimetilmetacrilato com densidade equivalente à água com encaixe para câmara de ionização em região central medindo 30 x 30 cm² totalizando 17 cm de altura.

Conforme mostrado na Figura 15, uma das placas do fantoma foi substituída por duas placas de bolus gel de 0,5 cm cada, para minimizar a camada de ar entre as placas e as folhas detectoras.

Fonte: Autora

As irradiações das tiras detectoras OSL foram realizadas do mesmo padrão de irradiação no qual, foram realizados os controles de qualidade com a câmara de ionização PTW semi-flex nas doses de 300, 600 e 2100 cGy.

Em seguida, foi executado o tratamento planejado de radiocirurgia, com fracionamento único de 2100 cGy e também com dose de hipofracionamento de 300 cGy e 600 cGy, no simulador antropomórfico adulto utilizando uma folha detectora OSL de CaF2 cortada em formato de fita com 2 cm de comprimento, 0,5 cm largura e

poucos milímetros de espessura e embalada em plástico preto radiotransparente, a qual foi colocada na região alvo do planejamento no simulador, com o intuito de verificar a dose de tratamento entregue e comparar os resultados fornecidos no sistema de planejamento (Figura 16).

Figura 16 - Posicionamento folha OSL de CaF2 para validação da dose entregue em comparação com o sistema de planejamento em simulador antropomórfico.

Fonte: Autora

Figura 15 - Posicionamento folha OSL de CaF2 para validação da dose planejada no controle de

Como usualmente as doses de tratamento em radiocirurgia são de 2100 cGy, foi utilizada uma folha detectora OSL com dimensões de 4 x 6 cm² e alguns milímetros de espessura para verificar a distribuição de dose no planejamento radioterápico. Esta foi posicionada de modo semelhante as folhas utilizadas na calibração, na posição central do fantoma entre as placas de polimetilmetacrilato.

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 17 apresenta as intensidades OSL por segundo obtidas na leitura das duas fitas utilizadas na irradiação com dose de 375 cGy para avaliar o fator de calibração das fitas detectoras.

Figura 17 - Posicionamento folha OSL de CaF2 para validação da dose entregue em comparação com

o sistema de planejamento em simulador antropomórfico.

Fonte: Autora

A Figura 18 apresenta o ajuste linear das intensidades OSL em função da dose para avaliar o fator de calibração dado pelo valor de b (coeficiente angular) do ajuste linear do tipo y=a+bx (R²=0,9969). O valor de b avaliado foi de (2,41±0,07) cps/cGy, para obter a dose em cGy foi necessário dividir as intensidades OSL por este.

Figura 18 - Ajuste linear das intensidades OSL em função da dose para obter o fator de calibração.

Fonte: Autora

A Tabela 2 apresenta os valores de dose de tratamento (prescrita), e o valor de dose máxima dado/encontrado no sistema de planejamento os valores medidos com a câmara de ionização (CI) e os valores de dose avaliados ao longo dos comprimentos das fitas OSL de CaF2.

Tabela 2 - Doses fornecidas no planejamento e medidas com CI e avaliadas com as fitas detectoras OSL de CaF2.

Dose de tratamento/ dose máxima (cGy)

300/ 428 600/ 740 2100/2320

Dose CI (cGy)

304 633 2040

Dose fita OSL de CaF2 (cGy)

287±23 691±54 2259±177 282±22 688±54 2341±184 282±22 749±59 2235±176 311±24 737±58 1962±154 292±23 796±62 2019±159 307±24 759±60 2314±182 302±24 791±62 2631±182

332±26 798±63 2674±210 359±28 762±60 2549±200 380±30 740±58 2522±198 358±28 750±59 2655±209 285±22 797±63 2613±205 Fonte: Autora

Comparando os valores de dose avaliados para cada um dos três planejamentos ao longo do comprimento das fitas detectoras OSL com os valores de dose fornecidos pelo equipamento medido com a câmara de ionização (CI), observamos que estes são compatíveis e que, conforme já previsto no planejamento, doses maiores (valores máximos) do que as doses de tratamento foram observadas ao longo do comprimento das tiras. Os valores máximos de dose dados nos planejamentos foram de 428, 740 e 2320 cGy e as doses máximas avaliadas no controle de qualidade com as folhas OSL de CaF2 foram de (380±30), (798±63) e

(2674±210) cGy. Vale ressaltar que para as duas doses mais baixas, os valores do planejamento e avaliados com as folhas estão dentro das incertezas e, para dose mais alta de tratamento, este está ligeiramente mais alto, porém não foram consideradas as incertezas associadas do planejamento.

Vale também destacar que embora as incertezas associadas aos valores estimados com as folhas OSL de CaF2 sejam de aproximadamente 8%, estas são

intrínsecas ao sistema dosimétrico na avaliação das contagens de fundo do detector e de escuro do leitor OSL empregado.

Observando os valores medidos com câmara de ionização, vemos que estes podem diferir do valor da dose de tratamento, isso porque no planejamento se tem uma distribuição de dose. Então, embora a câmara possa ser posicionada no ponto quente, onde se tem uma maior perspectiva de se medir o valor máximo, como se tem a dose em um volume relativamente grande, as doses medidas com a câmara estão entre o valor de tratamento e o valor máximo. Já com as folhas OSL no controle de qualidade, é possível observar o gradiente de dose na região de tratamento e com uma boa resolução espacial mesmo aplicando campos pequenos, como no caso da radiocirurgia utilizando VMAT.

No planejamento radioterápico, executado no simulador antropomórfico, como o alvo delimitado para tratamento estava distante de estruturas sadias, não houve a

necessidade de otimização destas estruturas bem como, o cuidado na distribuição e homogeneidade da dose durante o planejamento, isso implicou em doses mais altas do que as prescritas para o tratamento.

As Figuras 19 e 20 mostram os resultados obtidos na irradiação das fitas detectoras OSL de CaF2, no simulador antropomórfico, com a dose de

hipofracionamento prescrita equivalente a 300 cGy e 600 cGy respectivamente e a dose mais alta (DoseMax), dentro do volume alvo, e baixa (DoseMin), fornecida a 3 mm acima/abaixo do final da região de tratamento.

Figura 19 - Comparação da dose de 300 cGy lida na fita detectora OSL de CaF2 com a dose prescrita

e a dose máxima (DoseMax) e a dose mínima (DoseMin) do sistema de planejamento.

Fonte: Autora.

As doses apresentadas através da leitura da fita detectora OSL de CaF2,

apresentadas na Figura 19, estão totalmente abaixo da dose prescrita de 300 cGy, ou seja, fora da faixa de tratamento compreendida entre as doses máxima e mínima de 428 e 253 cGy, respectivamente. Em vista dos resultados obtidos e o sucesso das medidas realizadas no controle de qualidade com a folha detectora, pode-se afirmar que houve um erro de posicionamento no isocentro de tratamento do simulador antropomórfico quando ocorreu a troca da fita detectora a ser irradiada.

Na rotina de tratamento de um paciente a certeza do posicionamento é validada através da verificação com imagens de Cone Beam ou portal eletrônico. Porém, isso

não foi feito no posicionamento do simulador no caso das doses hipofracionadas, resultando em um erro de posicionamento para a irradiação da fita.

Na Figura 20, a dose mais alta mostrada pelo sistema de planejamento dentro do volume alvo é de 740 cGy e a menor dose no final da região de tratamento é 557 de cGy.

Figura 20 - Comparação da dose de 600 cGy lida na fita detectora OSL de CaF2 com a dose prescrita

e a dose máxima (DoseMax) e a dose mínima (DoseMin) do sistema de planejamento.

Fonte: Autora.

As doses obtidas no hipofracionamento de 600 cGy, através da leitura da fita detectora, estão entre 725 e 546 cGy, portanto dentro dos padrões das doses encontradas no sistema de planejamento para a região alvo.

A Figura 21 apresenta os resultados obtidos na irradiação da fita detectora OSL de CaF2, no simulador antropomórfico, com a dose utilizada em um tratamento de

radiocirurgia de fracionamento único com dose prescrita de 2100 cGy. Neste tratamento, a dose mais alta mostrada pelo sistema de planejamento foi de 2320 cGy e a menor dose de 2010 de cGy.

Figura 21 - Comparação da dose de 2100 cGy lida na fita detectora OSL de CaF2 com a dose

prescrita e a dose máxima (DoseMax) e a dose mínima (DoseMin) do sistema de planejamento.

Fonte: Autora.

Assim como no caso da dose hipofracionada de 600 cGy, as doses medidas, através da leitura da fita detectora, na execução do tratamento de radiocirurgia com 2100 cGy estão dentro dos padrões das doses encontradas no sistema de planejamento para a região alvo, já que as medidas na fita OSL forneceram 2440 e 2050 cGy para o maior e menor valor dose respectivamente.

Os tratamentos na radioterapia, em geral, apresentam doses espalhadas fora da região de tratamento. Essas doses são observadas nas Figuras 20 e 21 como doses abaixo da dose mínima e foram medidas nas extremidades das fitas detectoras