UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
DEPARTAMENTO DE ENERGIA NUCLEAR
COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR
CENTRO REGIONAL DE CIÊNCIAS NUCLEARES DO NORDESTE
Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Energéticas e Nucleares
JOSÉ FERNANDO DA SILVA FILHO
UTILIZAÇÃO DO TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO PARA MEDIÇÃO DA UNIFORMIDADE DO CAMPO DE RADIAÇÃO EM MAMOGRAFIA
Orientador: Prof. Dr. Luiz Antônio Pereira dos Santos
Recife 2018
JOSÉ FERNANDO DA SILVA FILHO
UTILIZAÇÃO DO TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO PARA MEDIÇÃO DA UNIFORMIDADE DO CAMPO DE RADIAÇÃO EM MAMOGRAFIA
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Energéticas e Nucleares para obtenção do título de Mestre em Ciências, Área de Concentração: Aplicações de radioisótopos na indústria e medicina.
Orientador: Prof Dr Luiz Antônio Pereira dos Santos
Recife 2018
Catalogação na fonte
Bibliotecário Carlos Moura, CRB-4 / 1502
S586u Silva Filho, José Fernando da.
Utilização do transistor bipolar de junção para medição da uniformidade do campo de radiação em mamografia. / José Fernando da Silva Filho. - Recife: O Autor, 2018.
75 f. : il., tabs.
Orientador: Prof. Dr. Luiz Antônio Pereira dos Santos.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Energéticas e Nucleares, 2018.
Inclui referências bibliográficas, anexos e apêndices.
1. Mamografia. 2. Uniformidade do campo de radiação. 3. Transistor bipolar de junção. I. Santos, Luiz Antônio Pereira dos, orientador. II. Título.
UFPE
JOSÉ FERNANDO DA SILVA FILHO
UTILIZAÇÃO DO TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO PARA MEDIÇÃO DA UNIFORMIDADE DO CAMPO DE RADIAÇÃO EM MAMOGRAFIA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Energéticas e Nucleares da Universidade Federal de Pernambuco, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências.
Aprovada em: 06/02/2018.
BANCA EXAMINADORA
_______________________________________________ Profº. Dr. Luiz Antônio Pereira dos Santos (Orientador)
Centro Regional de Ciências Nucleares do Nordeste
__________________________________________________________ Profº. Dr Carlos Alberto Brayner de Oliveira Lira (Examinador Interno)
Universidade Federal de Pernambuco
______________________________________________________ Profa. Drª. Divanizia do Nascimento Souza (Examinador Externo)
AGRADECIMENTOS
Agradeço a DEUS, criador do céu e da terra e de toda alma vivente, por ter dispensado sabedoria e forças para lograr os objetivos deste trabalho.
A minha família, para a qual estive muito ausente durante o período do curso, e mesmo assim me encorajou a chegar ao final.
À empresa Scients pela concessão do eletrômetro e ter colaborado na técnica de polarização do TBJ para tornar possível a realização deste trabalho.
Ao professor Luiz Antônio, como experiente orientador que soube trilhar o melhor caminho para encaixar as ideias na direção correta, denotando acurada visão científica que juntamente com a professora da UFMG, Maria do Socorro Nogueira, corroborou com os propósitos na empreitada deste trabalho.
Ao meu amigo Sidney Rodrigues e família que em muito dividimos as mesmas dificuldades durante todo o trajeto do curso.
Ao meu colega Davi Soares, pelos preciosos e decisivos conselhos e dicas científicas sobre transistor e radiação ionizante e ao colega de curso Gideon Lopes sobre suas orientações e dicas sobre metrologia na radiologia.
Aos demais funcionários do laboratório de física-médica do CRCN/NE que subsidiaram na materialização deste trabalho, colocando à disposição o sistema de mamografia para que realizássemos os experimentos.
RESUMO
A mamografia é uma técnica de raios X de diagnóstico por imagem muito importante para antecipar o diagnóstico do câncer de mama e reduzir consideravelmente as chances de morte em quase 95% dos pacientes, quando a doença é descoberta em seu estágio inicial. Na verdade, tal exame radiográfico pode alcançar o sucesso se o resultado da imagem for de alta qualidade. No equipamento de mamografia existem vários parâmetros que desempenham um papel importante na qualidade da imagem radiográfica. Um dos parâmetros é a uniformidade do campo de radiação. Entre os vários testes de controle de qualidade em mamografia, ainda não existe uma metodologia de eletrônica fina (como uma tecnologia de instrumentação nuclear) para medições da uniformidade do campo de radiação. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho foi estudar a viabilidade do transistor bipolar de junção como um sensor de radiação para medir a uniformidade do campo de radiação em feixes de raios X de mamografia. A resposta do transistor foi comparada com o detector padrão (a câmara de ionização), e os resultados mostram que o transistor bipolar de junção pode ser utilizado como um sensor de radiação para medir a uniformidade do campo de radiação.
Palavras-chave: Mamografia. Uniformidade do campo de radiação. Transistor bipolar de junção.
ABSTRACT
Mammography is a very important imaging diagnostic X-ray technique to anticipate the diagnosis of breast cancer and reduce the chances of death in almost 95% of patients if the disease is discovered in its early stages. In fact, such a radiographic examination can achieve success if the result of the image has high quality. In mammography equipment there are several parameters that play an important role in the quality of the radiographic image. One of the parameters is the uniformity of the radiation field. Among the various quality control tests in mammography, there is still no fine electronics methodology (as a nuclear instrumentation technology) for measurements of the radiation field uniformity. In this sense, the objective of this work was to study the viability of the bipolar junction transistor as a radiation sensor for measuring the uniformity of the radiation field in mammography X-ray beams. The transistor response was compared with the standard detector (the ionization chamber), and the results show that the bipolar junction transistor could be used as a radiation sensor for measuring the uniformity of the radiation field.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Composição de um equipamento de raios X tipo mamográfico...14
Figura 2 – Esquema de grandezas dosimétricas em mamografia...15
Figura 3 – Fantoma de mamografia – padrão ACR...18
Figura 4 – Esquema de colimação luminosa do feixe de raios X...19
Figura 5 – Suporte de exame da mama...20
Figura 6 – Geometria do efeito anódico...21
Figura 7 – Deslocamento de cargas elétricas na junção PN...23
Figura 8 – Transistor Bipolar de Junção...24
Figura 9 – Polarização do TBJ e simbologia do transistor NPN...24
Figura 10 – Regiões características do TBJ...25
Figura 11 – Arquitetura do TBJ Darlington NPN...26
Figura 12 – Transistor Bipolar de Junção com encapsulamento TO-92...29
Figura 13 – Eletrômetro EFF 1506, Scients®...30
Figura 14 – Notebook e rádio digital de comunicação...30
Figura 15 – Sistema de medição da Radcal Corporation®...31
Figura 16 – Medidor de tensão Diavolt Universal da PTW®...32
Figura 17 – Equipamento de mamografia Lorad M III...32
Figura 18 – Esquema de irradiação do TBJ para sensibilidade...33
Figura 19 – Papel milimetrado para estudo da uniformidade do campo de radiação...35
Figura 20 – Esquema de irradiação do TBJ para a uniformidade do campo de raios X...36
Figura 21 – Processo de medição da taxa de dose...37
Figura 22 – Relação entre kVnominal e a corrente de coletor do TBJ ( C)...39
Figura 23 – Corrente elétrica média de coletor para TU1 no eixo x...40
Figura 24 – Corrente elétrica média de coletor para TU1 no eixo y...………...…..….41
Figura 25 – Corrente elétrica média de coletor para TU2 no eixo x...42
Figura 26 – Corrente elétrica média de coletor para TU2 no eixo y...43
Figura 27 – Curva de degradação dos transistores TD1, TD2 e TD3...44
Figura 28 – Medição da taxa de dose no eixo x...46
Figura 29 – Medição da taxa de dose no eixo y...47
Figura 30 – Valores normalizados do transistor TU1 e a taxa de dose – eixo x...48
Figura 31 – Valores normalizados do transistor TU1 e a taxa de dose – eixo y...48
Figura 32 – Valores normalizados do transistor TU2 e a taxa de dose – eixo x...49
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Periodicidade dos TCQ para mamografia...17
Tabela 2 – Fatores técnicos mais usados clinicamente em mamografia...22
Tabela 3 – Fatores técnicos de operação...33
Tabela 4 – Sensibilidade do TS1 (β = 2650) ...38
Tabela 5 – Sensibilidade do TS2 (β = 6000) ...38
Tabela 6 – Sensibilidade do TS3 (β = 9400) ...38
Tabela 7 – Corrente elétrica média do coletor para TU1 no eixo x...40
Tabela 8 – Corrente elétrica média do coletor para TU1 no eixo y...41
Tabela 9 – Corrente elétrica média do coletor para TU2 no eixo x...42
Tabela 10 – Corrente elétrica média do coletor para TU2 no eixo y...43
Tabela 11 – Medição da taxa de dose no eixo x...46
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
INCA Instituto Nacional do Câncer
ANVISA Agência Nacional de Vigilância Sanitária MS Ministério da Saúde
GM Gabinete do Ministro
CNEN Comissão Nacional de Energia Nuclear CAE Controle Automático de Exposição EPI Equipamento de Proteção Individual ACR American College of Radiology
CRCN/NE Centro Regional de Ciências Nucleares do Nordeste Mo Molibdênio
Rh Ródio
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO...12
2 REVISÃO DE LITERATURA...13
2.1 Mamografia………..…....………...13
2.1.1 Equipamento de mamografia...………....………...13
2.1.2 Grandezas dosimétricas em mamografia...……….………...14
2.1.2.1 Taxa de dose...15
2.1.3 Controle de qualidade em mamografia...16
2.2 Parâmetros do campo de raios X em mamografia…….………...…………...…18
2.2.1 Colimação do feixe de raios X...………..……..………...18
2.2.2 Efeito anódico...………...….………...20
2.2.3 Carga de trabalho do tubo de raios X...………..………...21
2.2.4 Justificativa dos fatores de exposição...………...…...22
2.3 Materiais e dispositivos semicondutores…….………...………...23
2.4 Transistor Bipolar de Junção (TBJ)…….………..…………...23
2.4.1 Princípio de funcionamento...……….………...………...24
2.4.2 Transistor Darlington...……...……….………...25
2.4.3 Transistor como detector de radiação...……..………...……...27
2.4.4 Danos da radiação no TBJ...………..……..………...27
3 MATERIAL E MÉTODOS...29
3.1 Transistores..…………...……….…………...……...29 3.2 Sistemas eletrônicos.………...……….………...30 3.2.1 Eletrômetro...30 3.2.2 Câmara de Ionização...313.2.3 Medidor de tensão elétrica não invasivo...31
3.3 Equipamento de mamografia....………....….…...32
3.4 Procedimentos de irradiação...………...………...33
3.4.1 Testes de sensibilidade dos transistores...….………...33
3.4.2 Testes de uniformidade do campo de radiação...………...……...35
3.4.3 Testes de degradação dos transistores...36
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO...38
4.1 Testes de sensibilidade dos transistores…...…….………...38
4.2 Testes de uniformidade do campo de radiação...…..………...………...39
4.3 Testes de degradação dos transistores...44
4.4 Medições da taxa de dose...45
5 CONCLUSÃO...50
REFERÊNCIAS...51
ANEXO A - Manual do fabricante do TBJ ZTX602 e ZTX603 TO92...56
ANEXO B - Manual do fabricante do TBJ ZTX604 e ZTX605 TO92...59
ANEXO C - Especificações geométricas do transistor Darlington...62
APÊNDICE A – Testes de sensibilidade do TBJ ZTX605 de ganhos 2650 (TS1), 6000 (TS2) e 9400 (TS3)... 63
APÊNDICE B – Testes da uniformidade do campo de radiação com o TBJ ZTX603 (TU1) de ganho 2860... 66
APÊNDICE C – Testes da uniformidade do campo de radiação com o TBJ ZTX605 (TU2) de ganho 5860... 69
1 INTRODUÇÃO
O câncer de mama é a doença que mais causa mortes em mulheres em todo o mundo. O diagnóstico da mama com uso de radiação ionizante reduz as chances de morte em quase 95% dos pacientes, se o câncer é descoberto em seu estágio inicial. A eficiência do exame mostra-se em torno de 90% em relação a outros exames de imagem (INCA, 2009).
Acredita-se que a uniformidade do feixe de radiação favoreça a formação de uma boa qualidade de imagem da mama, e a busca por essa qualidade traduz-se na constante preocupação da comunidade científica em aprimorar controles de qualidade para desempenho do equipamento, além de servir para minimizar os efeitos da dose de radiação no paciente (BONTRAGER, 2003).
O efeito anódico mostra-se como um fator técnico de extrema importância na distribuição dos feixes de raios X para produção da imagem. O efeito anódico é o processo de distribuição diferenciada da intensidade dos fótons no campo de radiação, devido a geometria de fabricação dos eletrodos. Portanto, é importante desenvolver equipamentos que mensurem o perfil da intensidade do feixe de radiação e os aproveite melhor para a produção da imagem radiográfica. O controle de qualidade do campo de radiação é feito com câmara de ionização desde o início da descoberta dos raios X (BONTRAGER, 2003; BUSHONG, 2010).
O Transistor Bipolar de Junção (TBJ), embora não tenha sido projetado para ser irradiado diretamente com raios X, tem se mostrado altamente sensível nos experimentos para avaliar a intensidade do campo de radiação, gerando respostas constantes de corrente elétrica, mostrando-se resistente na reutilização em novas irradiações. É um dispositivo de fácil aplicação em circuitos eletrônicos e seu uso consiste na amplificação de sinais elétricos de baixa intensidade. Suas dimensões reduzidas e a facilidade de aquisição devido ao baixo custo fazem do componente uma das motivações para uso como sensor de radiação ionizante (SANTOS, 2009; SANTOS et al., 2014).
O objetivo deste trabalho é de estudar a viabilidade de utilização do transistor bipolar de junção para mensurar a uniformidade do feixe de raios X em mamografia. Para este estudo foram realizados testes de sensibilidade, degradação e comparação da resposta com os detectores convencionais.
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 Mamografia
A mamografia é um exame de diagnóstico por imagem para investigar patologias que acometem a glândula mamária feminina ou masculina. As patologias da mama são classificadas em tumores benignos e malignos. Os tumores respondem por mais de 20% do aparecimento de novos casos de câncer no mundo. O diagnóstico precoce da doença eleva as chances de cura para mais de 95% dos pacientes, segundo o Instituto Nacional do Câncer, sendo necessárias políticas de saúde para conter o avanço da doença (INCA, 2017).
2.1.1 Equipamento de mamografia
Os equipamentos de radiodiagnóstico devem estar de acordo com padrões de qualidade nacionais e internacionais em que o Brasil tenha parte (ANVISA, 1998). A maioria dos equipamentos de mamografia é composto de três partes: o console do operador, o pórtico e os pedais de acionamento (Figura 1).
O console do operador é a parte informatizada do equipamento, geralmente separada do pórtico, contém o monitor, o teclado para entrada dos dados do paciente e identificação dos parâmetros de exposição e um anteparo de vidro plumbífero para proteção da radiação.
O pórtico é a parte mecânica de sustentação do braço em C. O pórtico tem a função de controle de altura e rotação do braço em C para aquisição de diferentes incidências da mama.
O braço em C é onde se localiza o tubo de raios X, o colimador, o dispositivo de suporte do receptor de imagem e placas de compressão da mama. Existe em cada lado do braço em C botões para controle de altura, movimento de rotação, compressão, alteração do campo de luz e colimação do feixe de raios X na área de recepção de imagem. A arquitetura projetada do braço em C permite exames em pacientes na posição de pé, sentada ou deitada.
Os pedais de acionamento servem para controlar a altura e movimentos de rotação do braço em C e do dispositivo de compressão da mama, permitindo que as mãos do operador fiquem livres para o posicionamento do paciente.
Figura 1 - Composição de um equipamento de raios X tipo mamógrafo
Fonte: Adaptado do Manual de Operação Lorad MIV (2001)
2.1.2 Grandezas dosimétricas em mamografia
Mensurar a intensidade de radiação que pacientes e profissionais expostos recebem constitui um parâmetro importante no programa de controle de qualidade e de proteção radiológica.
Em mamografia a dosimetria é complexa e na literatura encontram-se muitos trabalhos dedicados apenas ao tema. As grandezas de interesse em mamografia são Kerma no ar incidente (Ka,i), Dose de entrada na pele (DEP) e Dose glandular média (DGM) (Figura 2),
estimadas a partir das definições básicas de Exposição, Kerma no ar e Dose absorvida (DUARTE, 2012; XAVIER et al, 2014; XAVIER, 2015; TURNER, 2007).
Pórtico Braço em C Pedais de acionamento do Braço em C Console do operador
Figura 2 – Esquema de grandezas dosimétricas em mamografia
Fonte: O autor
A Portaria ANVISA/MS nº 453/98 estabelece o limite de até 10 mGy para a DEP e não faz referência para a DGM, esta última tendo como base o limite estabelecido pelo Colégio Americano de Radiologia em até 3 mGy. É comum em países precursores do programa de triagem contra o câncer de mama (Suécia, Reino Unido, Noruega e Holanda) níveis de DGM entre 0,8 e 2,5 mGy para mamografia convencional e nos demais países da Europa entre 1,2 a 1,5 mGy e a DEP entre 8,0 a 9,0 mGy (DUARTE, 2012; SILVESTRE, 2010).
2.1.2.1 Taxa de dose
A taxa de dose absorvida ( ̇) é o incremento da dose absorvida (dD) em um intervalo de tempo (dt) em segundos. A dose absorvida (D) é a relação entre a energia média (d ) depositada em um meio de massa (dm), onde vale a equação D = d / dm (TAUHATA et al, 2014).
No Sistema Internacional (SI) a unidade de dose absorvida é J.Kg-1, onde 1 J.Kg-1=1 Gy, logo a taxa de dose absorvida é J.Kg-1.s-1 = 1 Gy.s-1, valendo a relação: = dD/dt.
A unidade de medida antiga de dose absorvida é o rad (radiation absorved dose), onde 100 rad = 1 Gy, que 1rad = 0,01 Gy = 10 mGy.
Ka,i
DEP DGM
2.1.3 Controle de qualidade em mamografia
Testes de controle de qualidade (TCQ) é o conjunto de procedimentos técnicos e periódicos que asseguram garantir a qualidade de um sistema de radiodiagnóstico (INCA, 2007; CNEN, 2014).
A Portaria da ANVISA/MS nº 453, de 01/06/1998, a Resolução da ANVISA/MS nº 64, de 04/04/2003, e a Portaria do INCA/MS n° 2.898, de 28/11/2013, enfatizam realização periódica de testes de controle de qualidade, a fim de que sejam garantidos os padrões de desempenho mínimos que os equipamentos devam ter.
Testes mensais de controle de qualidade são exigidos em especial pela Portaria do INCA/MS n° 2898, de 28/11/2013, para atender ao Programa Nacional de Qualidade em Mamografia (PNQM), para fins de manutenção e existência de serviços de mamografia no país. A Tabela 1 mostra os testes e as periodicidades organizadas para mamografia sintetizando as legislações sobre o tema.
Tabela 1 – Periodicidade dos TCQ para mamografia
O
rdem Testes de Controle de Qualidade
Periodicidade P o rt a ria 2 8 9 8 /1 3 P o rt a ria 2 8 9 8 /1 3 Reso luçã o 6 4 /0 3 P o rt a ria 2 8 9 8 /1 3 P o rt a ria 4 5 3 /9 8 P o rt a ria 4 5 3 /9 8 P o rt a ria 2 8 9 8 /1 3 P o rt a ria 4 5 3 /9 8 B ia nu a l Anua l Anua l Semes tra l M ens a l Sema na l Diá rio Diá rio
1 Alinhamento da placa de compressão X
2 Camada semi-redutora X X
3 Desempenho do CAE X
4 Desempenho do Controle da Densidade X
5 Dose de entrada na pele X
6 Exatidão do indicador e Reprodutibilidade da tensão do
tubo raios X X X
7 Exatidão e Reprodutibilidade do tempo de exposição X X
8 Força de compressão X X
9 Integridade do Chassi X
10 Integridade dos EPIs X
11 Índice de Rejeição de Mamografias X
12 Luminância no negatoscópio X X
13 Limpeza dos Chassis X
14 Ponto focal X X
15 Processamento de imagem X X
16 Qualidade da imagem X X X
17 Reprodutibilidade e Linearidade de taxa de Kerma no ar X X
18 Reprodutibilidade do CAE X X
19 Sistema de colimação X X
20 Sensitometria X X
O Programa Nacional de Qualidade em Mamografia (PNQM) é uma iniciativa do Ministério da Saúde (MS) com a participação do Instituto Nacional do Câncer (INCA), Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), vigilâncias sanitárias locais (Estaduais e Municipais) e do Colégio Brasileiro de Radiologia (CBR), com o objetivo de garantir a qualidade do exame em todos os serviços de mamografia no país. As ações do PNQM envolvem verificação da legislação sanitária pertinente, da qualidade de imagem, do laudo médico, dos testes de controle de qualidade e de dose no paciente (INCA, 2017; ANVISA, 1998).
No teste de controle de qualidade usa-se um fantoma recomendado pelo Colégio Americano de Radiologia, feito de polimetilmetacrilato (PMMA) de dimensões 30 cm x 30 cm x 15 cm (Figura 3) (TAUHATA et al., 2014; ANVISA, 1998).
Figura 3 – Fantoma de mamografia – padrão ACR
Fonte:<www.konex.com.br>. Acessado em 29 de novembro de 2017.
2.2 Parâmetros do campo de raios X em mamografia
2.2.1 Colimação do feixe de raios X
Para que os feixes de raios X estejam posicionados na área de interesse, alinhados com o receptor de imagem, a fim de reduzir a radiação espalhada, faz-se necessário uso de limitadores do campo de raios X.
Os limitadores utilizados em radiodiagnóstico são: diafragmas, cones, cilindros e colimadores ajustáveis. O colimador ajustável é um dispositivo regulável com localização luminosa (lâmpada e espelho) que limita o campo visual de irradiação na região a ser radiografada, ideal para mamografia (BIASOLI JR, 2016).
O dispositivo colimador localiza-se abaixo da ampola de raios X e opera no modo automático e manual. No modo automático, o circuito de detecção identifica o tamanho do receptor de imagem e da placa de compressão instalados, ajustando o tamanho do campo de radiação de forma apropriada. Na colimação manual, todo o ajuste é controlado pelo operador manualmente (Figura 4) (BIASOLI JR, 2016).
Figura 4 – Esquema de colimação luminosa do feixe de raios X
Fonte: Biasoli Jr (2016)
O suporte de exame da mama, localizado no braço C do pórtico, é um dispositivo que delimita a base do campo de radiação e contém um suporte para alojar chassis com filmes mamográficos de tamanhos 18x24 cm ou 24x30 cm (Figura 5).
Em termos de controle de qualidade, admite-se um desalinhamento entre as bordas do campo visual do suporte de exame da mama e do campo de raios X menor que 2% da distância foco-filme (DFoFi) (ANVISA, 1998). A distância entre a fonte de raios X e o suporte de exame da mama é variável, conforme seja o fabricante, ficando entre 60 a 80 cm.
Sistema emissor de raios X Colimador ajustável Grupo primário Espelho Raio central Colimador ajustável Lâmpada Grupo secundário Feixe luminoso Feixe de radiação
Figura 5 – Suporte de exame da mama
Fonte: Manual de operação do Sistema de Mamografia Lorad M III (1997)
2.2.2 Efeito anódico
Sabe-se que a produção dos raios X em equipamentos de radiodiagnóstico dá-se pela aplicação de uma diferença de potencial (ΔU) entre dois eletrodos: o anodo e o catodo. Deste último é de onde elétrons são acelerados para o anodo, provocando inúmeras colisões e assim gerando os fótons de raios X (BUSHONG, 2010). A alta tensão elétrica aplicada aos eletrodos é da ordem de dezenas de quilovolts, cujo valor depende do tipo de aplicação diagnóstica (20 – 40 kV, para mamografia; 70 – 90 kV, para odontologia; 100 – 140 kV, em tomografia computadorizada; etc.).
Por causa da geometria dos eletrodos, o anodo constitui o alvo o qual tem uma inclinação em relação à direção do feixe de elétrons (corrente elétrica do tubo de raios X), a intensidade fotônica emitida na saída varia em pelo menos um dos eixos do campo de radiação (BONTRAGER, 2003; SOARES, COSTA e FREITAS, 2011), o que é conhecido
Suporte de exame da mama Entrada do chassi com a película radiográfica.
como efeito anódico. Segundo Nogueira (2016), é importante que haja uniformidade da intensidade fotônica no sentido transversal da mama, enquanto que no sentido longitudinal deve-se aproveitar do efeito anódico para se ter intensidades diferentes conforme se aproxima do tórax, onde a mama é mais espessa (SOARES e COSTA, 2010; LIMA, FOSCHINI e MAGINI, 2001). A Figura 6 mostra simbolicamente a geometria do feixe de raios X para aproveitamento do efeito anódico na geração de imagem radiográfica.
Figura 6 – Geometria do efeito anódico
Fonte: O autor
2.2.3 Carga de trabalho do tubo de raios X
O produto da corrente elétrica no tubo de raios X (dado em mA) pelo tempo de exposição (dado em segundos) denomina-se de carga de trabalho (mAs), parâmetro este muito utilizado em diversos equipamentos modernos e é um fator primário de controle de densidade da imagem (BONTRAGER, 2003).
ϴ
Suporte de exame da mama
2.2.4 Justificativa dos fatores de exposição
Os fatores técnicos de operação (kVp, mAs e tempo) para produção de boa qualidade de imagem da mama devem:
Evitar o aumento da dose no paciente;
Evitar produzir artefatos na imagem, devido ao movimento voluntário ou involuntário do paciente, durante o tempo de exposição;
Controlar o campo de radiação, evitar a distorção da imagem e alinhar o raio central no suporte de exame, por meio dos colimadores;
Estabelecer o menor ponto focal para produzir feixes de raios X que se concentrem melhor no objeto radiografado no campo de radiação.
A Tabela 2 mostra resultados de estudos científicos sobre análise de imagens mamográficas realizadas no Brasil e na Europa entre os anos de 2002 a 2015 com mais de 6200 mamografias, evidenciando os fatores técnicos mais usuais clinicamente (SILVA et al., 2014; PEIXOTO, 2002).
Tabela 2 – Fatores técnicos mais usados clinicamente em mamografia kVp ± 0,1 mAs ± 0,1 Média kVp Média mAs País de Estudo
23 - 31 80 - 160 27 120 Brasil, São Paulo
25 - 28 50 - 70 27 60 EUA
26/28/30 80/70/50 28 67 Portugal, Lisboa
26 – 30 89 - 135 28 96 Brasil, Pernambuco
28 - 30 102 - 300 29 205 Brasil, Rio Grande do Sul
Bontrager (2003), Duarte (2012), Xavier (2015)
Observa-se que, em mamografia, a uniformidade do campo de radiação deve existir ao menos no eixo transversal da mama (NOGUEIRA, 2016) para evitar possíveis erros no diagnóstico. Pois, além das grandezas como tensão de pico (kVp), carga de trabalho (mAs) e o efeito anódico, a própria falta de uniformidade do campo pode contribuir para perda da qualidade da imagem.
2.3 Materiais e dispositivos semicondutores
Materiais semicondutores possuem características intermediárias entre os condutores e isolantes de corrente elétrica. Existem inúmeros tipos de materiais semicondutores, mas ainda é comum que vários dispositivos eletrônicos tenham sua construção baseada em cristais semicondutores. Na prática, para se ter um dispositivo eletrônico semicondutor tem-se que dopar tais cristais com impurezas de forma a se ter os denominados cristais extrínsecos do tipo P ou N (REZENDE, 2004). De fato, atualmente, a maioria dos dispositivos eletrônicos semicondutores é baseada na junção PN (SZE, 2002), sobretudo aqueles que são usados como detectores de radiação ionizante (LUTZ, 1999).
Em vários dispositivos eletrônicos, como o transistor bipolar de junção (TBJ), tem-se o movimento de cargas elétricas negativas (elétrons) e positivas (lacunas) como ilustrado na Figura 7 onde se tem uma junção PN (diodo polarizado diretamente).
Figura 7 - Deslocamento de cargas elétricas na junção PN
Fonte: O autor
2.4 Transistor Bipolar de Junção (TBJ)
O TBJ é um componente eletrônico semicondutor formado por duas junções PN e três eletrodos: coletor (C), base (B) e emissor (E) (Figura 8). Entre coletor e emissor se alimenta com uma fonte de tensão denominada VCE, e a base se alimenta com uma fonte de corrente IB
(Figura 9). A base é muito estreita de modo que quando o dispositivo é devidamente polarizado os efeitos quânticos ocorrem e o TBJ se torna um amplificador de corrente elétrica (SANTOS et al., 2013; LANDSHOFF, METHERELL e REES, 1997).
lacunas
V elétrons
-Figura 8 – Transistor Bipolar de Junção
Fonte: Monte (2014)
Figura 9 – Polarização do TBJ e simbologia do transistor NPN
Fonte: Santos et al. (2013)
2.4.1 Princípio de funcionamento
O transistor bipolar de junção (TBJ) trabalha em 3 modos de operação: saturação, ativa e corte. O modo ativo ou modo de amplificação linear é quando se pretende utilizá-lo como amplificador de sinais elétricos. Os modos de saturação e corte são ideais para aplicações como chaveamento em circuitos lógicos (SEDRA e SMITH, 2007).
O modo de operação do TBJ depende do tipo de utilidade a que se destina, para que se possa polarizá-lo adequadamente. O gráfico da Figura 10 mostra as regiões características de funcionamento de um TBJ (MONTE, 2014).
Figura 10 – Regiões características do TBJ
Fonte: <http://macao.communications.museum/eng/main.html>. Acessado em 20 de novembro de 2017
Da análise do gráfico característico podem-se tirar as seguintes conclusões:
A família de curvas características da Figura 10 é obtida através do circuito elétrico da Figura 9;
O gráfico mostra uma família de curvas de um transistor típico.
Se aumentar IB aumentará IC;
Se IB0< IB1, então não existirá IC, logo o TBJ trabalha como uma chave aberta,
determinando a região de corte;
Se IB> (IB5> IB4), então o TBJ entra na região de saturação;
O ganho (β) do TBJ obtém-se em qualquer ponto do gráfico e a partir de IB1> IB0
determina-se a região ativa;
2.4.2 Transistor Darlington
O transistor bipolar de junção tipo Darlington é um transistor especial constituído de dois transistores em cascata (Figura 11) que proporciona um aumento efetivo no ganho da corrente elétrica, e pode ser resumido na expressão β = β1+ β2+β1.β2, a qual será demonstrada
Figura 11 – Arquitetura do TBJ Darlington NPN
Fonte: Monte (2014) modificada
Analisando a relação entre as correntes do TBJ da configuração Darlington do circuito acima, vê-se que as correntes IB1, IC1 e IE1, pertencem ao TBJ T1 e as correntes IB2, IC2 e IE2,
pertencem ao TBJ T2. Pode-se calcular o respectivo ganho pela lei de Kirchhoff para correntes, conforme demonstrado nas equações seguintes:
IC = IC1 + IC2 (1)
E como IC = β.IB, então:
IC1 = β1.IB1 e IC2 = β2.IB2 (2) Substituindo (2) em (1) obtêm-se: IC = β1.IB1+ β2.IB2 (3) E como IB2 = IE1 e IE1 = IC1 + IB1; Assim como IB1 = IB; Então: IB2 = IB + IC1; (4) Substituindo (4) em (3), obtêm-se: IC = β1.IB+ β2.(IB + IC1) (5) Onde: IC = β1.IB+ β2.(IB + β1.IB); ou IC = β1.IB+ β2.IB + β2.β1.IB (6)
≈
β
β
β
Evidenciando IB, tem-se: IC = IB (β1+ β2 + β2.β1); E como IC/IB = β (7) Logo: β = (β1+ β2 + β2.β1). (8)
2.4.3 Transistor como detector da radiação
Já existem estudos científicos que utilizaram transistores Darlington como detector de radiação ionizante (SANTOS et al., 2013; SANTOS et al., 2014). No entanto, o uso de TBJ para mensurar características de uniformidade do feixe de raios X em mamografia ainda não existe na literatura.
Existem outras experiências com o uso de TBJ comum, por exemplo: o trabalho desenvolvido por Alves (2014) com o TBJ BC846, que avaliou a dose em profundidade em feixes de raios X diagnósticos; Silva (2016), que estudou o comportamento do TBJ quando submetido a doses e taxas de dose equivalentes em tratamentos radioterápicos; Rego (2007), que estudou o fototransistor bipolar de junção em espectroscopia de feixes de raios X na faixa de radiodiagnóstico; Passos (2015), com estudos desenvolvidos com o TBJ BC856 na dosimetria de feixe de elétrons em radioterapia; e Santos et al. (2008), que desenvolveu estudos de viabilidade do uso de fototransistor para a dosimetria de tomografia computadorizada e feixes de radiocirurgia estereotáxica e radiologia diagnóstica.
2.4.4 Danos da irradiação no TBJ
Com a submissão constante do TBJ à irradiação, alguns danos podem ocorrer no material semicondutor, diminuindo sua eficiência de resposta como sensor. A gravidade do dano depende do tipo de radiação e de sua energia. Ocorrem dois tipos básicos de danos induzidos pela radiação: deslocamento atômico e ionização (LUTZ, 1999; SPIELER, 2005).
A ionização provoca a formação de pares elétrons-lacunas, formando uma concentração de cargas e gerando um campo elétrico parasítico; enquanto que o deslocamento atômico consiste no deslocamento dos átomos do cristal de suas posições de origem, alterando características elétricas do dispositivo semicondutor (SILVA, 2016).
O deslocamento atômico depende da massa do material absorvedor, da radiação e da energia dos fótons. Raios X não causam diretamente deslocamento atômico, se os fótons incidentes no material não ultrapassarem a energia de 250 keV (SILVA, 2016; ALVES, 2014).
A ionização tem a maior probabilidade de induzir danos e pode ser medida em termos de energia depositada em um volume de massa m do material, expressa em Gray (Gy), onde 1Gy = 1 J.kg-1. Os dois tipos básicos de danos significam a degradação do ganho (ALVES, 2014).
3 MATERIAL E MÉTODOS
3.1 Transistores
Os componentes eletrônicos selecionados para os experimentos foram os transistores da família ZTX, modelo Darlington, tipo NPN de potência média, para avaliar o nível de sensibilidade aos raios X, para o estudo da uniformidade do campo de radiação e para o estudo da degradação.
Para a sensibilidade foi empregado o TBJ ZTX605, de ganhos 2650, 6000 e 9400; e para estudo da uniformidade do campo de radiação foram o TBJ ZTX603 de ganho 2860 e o TBJ ZTX605 de ganho 5860; e para o teste de degradação foi utilizado outros TBJ ZTX605 de ganhos 2860, 5750 e 6000, todos de encapsulamento compatível com TO-92 (Figura 12).
Figura 12 – Transistor Bipolar de Junção com encapsulamento TO-92
Fonte: Santos et al (2013)
As características técnicas e geométricas dos transistores utilizados estão descritas no manual do fabricante nos anexos A, B e C.
3.2 Sistemas eletrônicos
3.2.1 Eletrômetro
Para registro do sinal de corrente elétrica do TBJ foi usado o Eletrômetro modelo EFF1506, marca Scients® (Figura 13) conectado no modo sem fio a um computador (Figura 14).
Figura 13 – Eletrômetro EFF1506, Scients®
Fonte: O autor
Figura 14 – Notebook e rádio digital de comunicação
Fonte: O autor Registro de uma das medições da corrente do coletor no teste de sensibilidade do TBJ.
Rádio digital para comunicação sem fio.
Antena do eletrômetro para comunicação com o rádio digital. Cabo de conexão cuja extremidade oposta possui garras de jacaré que são conectadas aos eletrodos do TBJ para polarizá-lo.
3.2.2 Câmara de Ionização
A câmara de ionização, modelo 10X5-6M, fabricante Radcal Corporation® foi utilizada para medir os valores de taxas de dose dentro do campo de radiação do mamógrafo (Figura 15).
Figura 15 – Sistema de medição da Radcal Corporation®
Fonte:<http://www.radcal.com>. Acessado em 27 de novembro de 2017.
3.2.3 Medidor de tensão elétrica não invasivo
O medidor de tensão Diavolt Universal, marca PTW® (Figura 16) foi empregado para certificar que a tensão selecionada no painel de controle no console do operador do equipamento de mamografia estivesse devidamente calibrada conforme orienta normas nacionais. O medidor de tensão realiza múltiplas medidas em uma única exposição.
Câmara de ionização Modelo 10X5-6M
Eletrômetro Modelo 9015
Figura 16 – Medidor de tensão Diavolt Universal da PTW®
Fonte: <http://www.ptw.de/1872.html>. Acessado em 13 de dezembro de 2017
3.3 Equipamento de mamografia
Foi utilizado para os experimentos o sistema de mamografia Lorad M III (Figura 17), ano de fabricação 1997, da Halogic Company®, pertencente ao Laboratório de Física-Médica do CRCN/NE, com fatores técnicos de operação descritos na Tabela 3.
Figura 17 – Equipamento de mamografia Lorad MIII
Fonte: O autor Pórtico com braço em C Console do Operador Pedais de acionamento do pórtico Tubo de raios X Braço em C
Tabela 3 – Fatores técnicos de operação Tensão do tubo (kVp) Corrente do tubo (mAs) Tempo de exposição (s)
Filtros Ponto focal
22 a 34 1,7 (mínimo) 400 (máximo) 0,1 a 5,0 30 µ Mo 25 µ Rh 0,3 mm (grosso) 0,1 mm (fino) Fonte: Manual de Operação do Sistema de Mamografia Lorad MIII (1997)
3.4 Procedimentos de irradiação
3.4.1 Testes de sensibilidade dos transistores
Os transistores bipolares de junção foram fixados no suporte de exame da mama com a face plana do componente voltada para cima (face mais sensível com 19,12 mm2 de área), visando obter um sinal elétrico de saída (IC) com uma relação sinal/ruído otimizada, conforme
esquema mostrado na Figura 18.
Figura 18 – Esquema de irradiação do TBJ para sensibilidade
Fonte: O autor Campo de radiação colimado Transistor fixo sobre o suporte de exame da mama Eletrômetro
Foram utilizados 3 transistores ZTX605, de ganhos 2650, 6000 e 9400, denominados de TS1, TS2 e TS3, em referência aos transistores destinados aos testes de sensibilidade. As tensões de tubo de raios X escolhidas foram 22, 25 e 28 kV coincidentes com as tensões mais usadas clinicamente.
O tempo de exposição para cada tensão de tubo de raios X foi selecionado para ser 4 segundos, visando se ter pelo menos 3 amostras da corrente de coletor, haja visto que o eletrômetro tem um tempo de amostragem de 1 segundo.
A carga de trabalho empregada no experimento foi de 320 mAs o que corresponde a uma corrente de tubo de raios X de 80 mA.
O procedimento do cálculo para avaliar estatisticamente a sensibilidade dos transistores é mostrado nas equações seguintes (CRESPO, 2002; FERREIRA, 1991). A grandeza sensibilidade, referida anteriormente, consiste em poder registrar o valor máximo de corrente de coletor, conseqüente da interação da radiação com o semicondutor.
Média aritmética da corrente do coletor
= (nA) (9)
Desvio padrão amostral
S = √
(10)
Coeficiente de variação
Medida estatística, representado por CV, que avalia o grau de uniformidade de uma amostra de um conjunto de dados, em valores percentuais (%). Para valores de CV menores que 15% os dados são considerados homogêneos e acima disso heterogêneo, sendo definidos pela equação:
CV =
Onde, S é o desvio padrão amostral e é a corrente média do coletor (em nA), obtida dos valores das 6 correntes de coletor registradas no intervalo de 2 tempos empregados por cada tensão. A multiplicação por 100 faz referência a valores percentuais que deverá se obter, conforme parâmetro estatístico CV≤15%.
3.4.2 Testes de uniformidade do campo de radiação
Foram utilizados transistores tipo ZTX603 de ganho 2860 e tipo ZTX605 de ganho 5860, denominados de TU1 e TU2, em referência aos transistores destinados a estudar a uniformidade do campo de radiação, seguindo o mesmo arranjo experimental da Figura 18, da subseção 3.4.1, porém utilizando um papel milimetrado (Figura 19), criando-se 2 eixos (x e y). Cada eixo foi divido em dois segmentos, sendo um segmento positivo (+) e o outro negativo (-), gerando consequentemente 4 quadrantes.
Os segmentos de eixo no papel milimetrado foram divididos de1 em 1 cm, a fim de se criar um ponto por centímetro linear, simbolizado por P(+x) e P(-x) no eixo x e P(+y) e P(-y) no eixo y. Neste trabalho foi convencionado que a parte negativa de y é a direção do tórax do paciente.
O valor métrico de 1 cm, arbitrado para dividir os eixos no papel milimetrado, é justificado pelo que orienta a Portaria ANVISA/MS nº 453/98, a qual menciona que os sistemas de imagem de radiografia de mama devem ser capazes de identificar patologias de 0,75 mm de tamanho em diante. Na Figura 19, propositadamente é mostrado um quadrado em negrito de 1 cm de lado. No geral, a quantidade de irradiações perfez 72 leituras no eixo x e 54 no eixo y, totalizando 126 leituras de correntes elétricas para cada transistor.
Figura 19 - Papel milimetrado para estudo da uniformidade do campo de radiação
A fim de se ter um melhor controle do posicionamento no papel, o TBJ foi posto sobre uma pequena placa de polimetilmetacrilato (PMMA) conforme Figura 20.
O produto da corrente elétrica pelo tempo (mAs), ou seja, a carga de trabalho e demais parâmetros técnicos foram os mesmos usados para avaliar a sensibilidade dostransistoresTS1, TS2 e TS3, fixando-se apenas o valor da tensão elétrica em 25 kV. As equações usadas para os cálculos e suas definições já foram mencionadas anteriormente para avaliação da sensibilidade dos transistores TS1, TS2 e TS3.
Figura 20 – Esquema de irradiação do TBJ para a uniformidade do campo de raios X
Fonte: O autor
3.4.3 Testes de degradação dos transistores
Os transistores escolhidos para estudo dos testes de degradação foram o TBJ ZTX605 com ganho de 2860, 5750 e 6000, denominados de TD1, TD2 e TD3. O arranjo experimental seguiu o esquema da Figura 18, da subseção 3.4.1, em que cada transistor foi mantido imóvel sobre o suporte de exame da mama durante todo o experimento.
Os fatores elétricos utilizados nos testes anteriores foram mantidos para o teste de degradação (25 kV, 320 mAs, 80 mA e tempo de 4 segundos), bem como os fatores técnicos (ponto focal grosso, modo de operação manual do equipamento).
3.4.4 Medições da taxa de dose
Para a definição dos valores das taxas de dose em cada ponto foi seguido o esquema mostrado na Figura 21, onde a câmara de ionização foi colocada sobre o papel milimetrado usado para o estudo da uniformidade do campo de radiação, tomando-se de 2 em 2 cm devido ao tamanho da área circular da câmara de ionização (1936 mm2) tendo como medida inicial de referência o ponto P(0x;0y). Utilizaram-se os mesmos parâmetros técnicos para a irradiação dos transistores (25 kV, 320 mAs, 80 mA e tempo de 4 segundos).
Figura 21 – Processo de medição da taxa de dose
Fonte: O autor Câmara de ionização Modelo 10X5-6M Papel milimetrado Fonte emissora de raios X
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Testes de sensibilidade dos transistores
As Tabelas 4 a 6 resumem os resultados das tabelas do Apêndice A, acercada sensibilidade aos raios X dos componentes eletrônicos submetidos a 25 kV ± 3 kV. Percebe-se que o valor da corrente média de coletor ( C) aumenta de forma linear com o valor nominal
da tensão (kV) para todos os transistores, conseguindo um maior sinal de saída de corrente no transistor de maior ganho, o TS3.
O gráfico da Figura 22 mostra a relação entre o kVnominal e corrente de coletor do TBJ
( C), onde os índices estatísticos de determinação (R2) próximos de 1, evidenciam que os
transistores apresentam alta sensibilidade aos feixes de fótons de raios X de mamografia, proporcional aos seus respectivos ganhos.
Esses resultados mostram que quanto maior o ganho do transistor maior sua sensibilidade aos feixes de fótons de raios X com energias na faixa do diagnóstico em mamografia. Tabela 4 – Sensibilidade do TS1 (β = 2650) kVnominal C±S (nA) 22 58,0±0,9 25 134,2±0,4 28 253,1±0,7 Fonte: O autor Tabela 5 – Sensibilidade do TS2 (β = 6000) kVnominal C±S (nA) 22 221,5±15,2 25 478,7±0,9 28 839,9± 1,8 Fonte: O autor Tabela 6 – Sensibilidade do TS3 (β = 9400) kVnominal C±S (nA) 22 281,4±6,2 25 678,1±1,9 28 1134,0±35,0 Fonte: O autor
Figura 22 – Relação entre kVnominal e a corrente de coletor do TBJ ( C)
Fonte: O autor
4.2 Testes de uniformidade do campo de radiação
Para o TU1, o resumo dos dados nas Tabelas 7 e8, extraídos dos resultados gerais dastabelas do Apêndice B, mostra que os valores de variam em até 5 % no intervalo entre x = -5 cm e x = +5 cm no eixo x. Em relação ao eixo y, onde se tem o efeito anódico, observa-se que não há certa uniformidade como no eixo x, pois, de fato, é no eixo x que se espera a uniformidade do campo.
Pode-se observar também que nos extremos do campo de radiação (18 x 24 cm) os valores da corrente de coletor de ambos os transistores TU1 e TU2 foram muito baixos, evidenciando a delimitação (penumbra) do campo de radiação.
Os gráficos que registram o comportamento das correntes elétricas médias de coletor ( ) do transistor TU1 nos pontos dos respectivos eixos são mostrados pelas Figuras 23 e 24, eixos x e y, respectivamente. Os pontos dos gráficos em forma de quadrado são em referência a forma geométrica plana retangular dos transistores.
y = 32,517x - 664,48 R² = 0,9843 y = 103,07x - 2063,3 R² = 0,9907 y = 142,1x - 2854,7 R² = 0,9984 50 250 450 650 850 1050 1250 22 . . TS1 G2650 TS2 G6000 TS3 G9400 25 28 kV nominal Ic ( n A )
Tabela 7 – Corrente elétrica média de coletor para TU1 no eixo x Posição (cm) ± S CV (%) -12 1,2±0,2 13,3 -11 16,3±0,5 3,0 -10 115,5±0,5 0,5 -9 120,7±0,3 0,3 -8 124,0±1,3 1,1 -7 124,4±7,2 5,8 -6 128,0±1,3 1,0 -5 130,8±0,8 0,6 -4 129,2±0,4 0,3 -3 133,9±0,4 0,3 -2 134,3±0,9 0,6 -1 135,3±2,4 1,7 0 138,4±0,7 0,5 +1 137,4±0,7 0,5 +2 132,2±4,9 3,7 +3 128,6±4,4 3,4 +4 130,9±1,0 0,7 +5 131,6±1,0 0,8 +6 124,7±5,9 4,8 +7 125,5±2,2 1,7 +8 123,5±3,8 3,1 +9 124,1±0,6 0,5 +10 118,9±0,4 0,3 +11 102,5±0,5 0,5 +12 1,2±0,3 21,7 Fonte: O autor
Figura 23 – Corrente elétrica média de coletor para TU1 no eixo x
Fonte: O autor 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 -12-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ic (nA) Eixo x (cm)
Tabela 8 – Corrente elétrica média de coletor para TU1 no eixo y Posição (cm) ± S (nA) CV (%) -9 10,2±1,7 16,7 -8 147,5±0,6 0,4 -7 156,7±1,2 0,8 -6 90,1±7,2 8,0 -5 102,5±1,4 1,4 -4 104,0±1,6 1,5 -3 129,4±0,8 0,6 -2 144,7±0,7 0,5 -1 128,6±1,6 1,2 0 138,4±0,7 0,5 +1 115,1±1,6 1,4 +2 126,1±0,3 0,2 +3 101,1±0,4 0,4 +4 96,4±1,0 1,0 +5 81,6±1,7 2,0 +6 70,4±1,5 2,2 +7 83,8±10,6 12,7 +8 4,0±0,2 4,0 +9 0,0±0,0 0,0 Fonte: O autor
Figura 24 – Corrente elétrica média de coletor para TU1 no eixo y
Fonte: O autor
Para o transistor TU2 o resumo das Tabelas de 9 e 10, provenientes dos resultados gerais das tabelas do Apêndice C, mostra que as correntes elétricas médias de coletor ( ) tiveram valores variando menos que 2 % no intervalo entre os pontos x = -7 cm e x = +5 cm
0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Eixo y (cm) Ic (nA )
no eixo x. Observa-se que para o eixo y têm-se variações de até 30 %, que é devido ao efeito anódico inerente neste eixo ao campo de radiação em mamografia.
Em resumo, os gráficos que registram o comportamento das do transistor TU2 nos pontos dos respectivos eixos são mostrados pelas Figuras 25 (eixo x) e 26 (eixo y).
Tabela 9 – Corrente elétrica média de coletor para TU2 no eixo x
Posição (cm) ± S (nA) CV (%) -12 1,0±0,3 30,0 -11 19,8±2,5 12,6 -10 226,3±11,6 5,1 -9 240,7±11,4 4,7 -8 266,0±4,2 1,6 -7 282,1±3,8 1,3 -6 285,2±0,7 0,2 -5 288,0±3,1 1,1 -4 293,9±2,3 0,8 -3 289,4±2,8 1,0 -2 293,2±2,8 0,9 -1 284,1±10,9 3,8 0 284,7±0,4 0,1 +1 276,3±19,4 7,0 +2 289,5±1,8 0,6 +3 291,2±1,1 0,4 +4 282,9±7,3 2,6 +5 281,3±1,5 0,5 +6 278,6±2,8 1,0 +7 276,8±1,5 1,0 +8 278,2±1,7 0,6 +9 271,1±7,1 2,6 +10 247,7±5,3 2,1 +11 227,4±0,9 0,4 +12 3,4±0,4 11,8 Fonte: O autor
Figura 25 – Corrente elétrica média de coletor para TU2 no eixo x
Fonte: O autor 0,0 30,0 60,0 90,0 120,0 150,0 180,0 210,0 240,0 270,0 300,0 -12-11-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ic (n A) Eixo x ( cm)
Observa-se mais uma vez que na região de penumbra (pontos x = +12 cm e x = -12 cm) a corrente de coletor praticamente tende à zero.
Tabela 10 – Corrente elétrica média de coletor para TU2 no eixo y Posição (cm) ± S (nA) CV (%) -9 138,7±12,1 8,7 -8 227,1±12,9 5,7 -7 259,2±3,3 1,3 -6 256,0±12,1 4,7 -5 281,8±1,3 0,5 -4 269,1±14,4 5,4 -3 276,6±1,3 0,5 -2 277,2±1,2 0,4 -1 269,5±1,6 0,6 0 284,7±0,4 0,1 +1 256,1±1,8 0,7 +2 247,9±0,5 0,2 +3 234,7±0,6 0,3 +4 213,4±0,6 0,3 +5 188,6±7,9 4,2 +6 174,2±1,6 0,9 +7 158,2±1,1 0,7 +8 3,5±0,4 11,4 +9 0,8±0,1 12,5 Fonte: O autor
Figura 26 – Corrente elétrica média de coletor para TU2 no eixo y
Fonte: O autor 0,0 30,0 60,0 90,0 120,0 150,0 180,0 210,0 240,0 270,0 300,0 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ic (n A) Eixo y (cm)
De forma geral, os transistores utilizados para estudo da uniformidade do campo de radiação em mamografia reproduziram valores de correntes elétricas em cada ponto irradiado, de acordo com a intensidade da radiação recebida, proporcional aos seus ganhos.
4.3 Testes de degradação dos transistores
O gráfico da Figura 27 representa o dano da radiação que os transistores TD1 (G2860), TD2 (G5750) e TD3 (G6000) sofreram. Para obter a análise da degradação, as correntes médias de coletor obtidas ( ) foram normalizadas em relação a corrente média de coletor inicial de cada transistor.
Observa-se que a perda de eficiência da corrente de coletor ( ) ocorre gradualmente no intervalo de dose acumulada de até aproximadamente 1 Gy para TD2 e TD3. Para TD1, a eficiência praticamente se mantém estável até quase 3 Gy.
Figura 27 – Curva da degradação dos transistores TD1, TD2 e TD3
Fonte: O autor
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0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Dan o r elat iv oDose acumulada (mGy)
Em geral, o gráfico da Figura 27 mostra que os transistores de menores ganhos (TD1 e TD2) apresentam comportamentos mais estáveis em relação a ação dos raios X de baixa energia da mamografia, enquanto que o de maior ganho (TD3) perde mais acentuadamente sua eficiência, quando acumula a dose de radiação.
4.4 Medições da taxa de dose
A medição da taxa de dose ( ̇), em mGy/s, foi necessária para fins de comparação com os transistores irradiados no estudo da uniformidade do campo em alguns pontos do papel milimetrado, por segmento de eixo. Os resultados obtidos estão resumidos na Tabela 11 para o eixo x e Tabela 12 para o eixo y, extraídos do Apêndice D.
As tabelas mostram que a taxa de dose média ( ̇) é praticamente constante (dentro de 5%) no intervalo x = +8 cm a x = -8 cm no eixo x. Enquanto no eixo y é visível o efeito anódico, pois a parte negativa de y se aproxima do tórax e por isso a taxa de dose é maior.
Os gráficos das Figuras 28 e 29 representam uma melhor visualização das tabelas 11 e 12, respectivamente. Os pontos dos gráficos em forma de círculo são em referência a forma geométrica plana circular da câmara de ionização.
Tabela 11 – Medição da taxa de dose no eixo x Posição (cm) (mGy/s) ̇ ± S CV (%) -12 0,484±0,029 5,992 -10 6,155±0,788 12,803 -8 7,350±0,285 3,878 -6 7,444±0,338 4,541 -4 7,527±0,173 2,298 -2 7,644±0,042 0,549 0 7,683±0,002 0,026 +2 7,517±0,151 2,008 +4 7,509±0,116 1,545 +6 7,395±0,328 4,435 +8 7,504±0,383 5,104 +10 6,034±0,029 0,481 +12 0,814±0,008 0,983 Fonte: O autor
Figura 28 – Medição da taxa de dose no eixo x
Fonte: O autor 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 Tax a d e d o se m éd ia (m G y/s ) Eixo x (cm)
Tabela 12 - Medição da taxa de dose no eixo y Posição (cm) (mGy/s) ̇ ± S CV (%) -10 2,217±0,020 0,902 -8 8,561±0,026 0,304 -6 8,758±0,007 0,079 -4 8,456±0,028 0,331 -2 8,058±0,088 1,092 0 7,683±0,002 0,026 +2 7,149±0,024 0,336 +4 6,614±0,087 1,315 +6 5,481±0,017 0,310 +8 1,448±0,004 0,276 +10 0,067±0,004 5,970 Fonte: O autor
Figura 29 – Medição da taxa de dose no eixo y
Fonte: O autor
Os gráficos das Figuras 30 e 31, referentes ao transistor TU1 e das Figuras 32 e 33, referentes ao transistor TU2 mostram a comparação entre as correntes elétricas médias normalizadas para x = 0, junto com as taxas de dose médias nos pontos dos eixos do campo de radiação utilizado. Pode-se verificar uma correspondência entre as respostas de cada tipo de dispositivo: a câmara de ionização e o transistor bipolar de junção.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Tax a d e d o se m éd ia (m G y/s ) Eixo y (cm)
Nesse sentido, fica caracterizado que o transistor bipolar de junção pode ser utilizado para avaliar a intensidade do feixe de raios X e consequentemente estimar a uniformidade do campo de radiação em mamografia.
Figura 30 – Valores normalizados do transistor TU1 e a taxa de dose – eixo x
Fonte: O autor
Figura 31 – Valores normalizados do transistor TU1 e a taxa de dose – eixo y
Fonte: O autor 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 Valo re s n o rm aliz ad o s Eixo x (cm)
TBJ Ganho = 2860 Câmara de ionização
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Valore s n orm alizad os
Ganho=2860 Camara de Ionização
Figura 32 – Valores normalizados do transistor TU2 e a taxa de dose – eixo x
Fonte: O autor
Figura 33 – Valores normalizados do transistor TU2 e a taxa de dose – eixo y
Fonte: O autor 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 Valo re s n o rm aliz ad o s Eixo x (cm)
TBJ Ganho = 5860 Câmara de ionização
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 valo re s n o rm aliz ad o s
Ganho=5860 Camara de Ionização
5 CONCLUSÃO
Transistores bipolares de junção foram utilizados para estimar a uniformidade da radiação no campo de exposição em feixes de raios X de mamografia. Dos resultados apresentados, pode-se concluir que:
Transistores com ganhos diferentes produziram sinais proporcionais aos respectivos ganhos, ou seja, a sensibilidade varia com o ganho.
As correntes de coletor produzidas no posicionamento do transistor ao longo do eixo x, no qual se espera uniformidade do campo em mamografia, tiveram valores muito próximos, variando cerca de 5% até aproximadamente ± 5 cm para o transistor de menor ganho, e menos que 2% para o transistor de maior ganho, indicando que esse processo de medição está congruente com os resultados da câmara de ionização.
As correntes de coletor produzidas no posicionamento do transistor ao longo do eixo y, no qual não se espera uniformidade do campo em mamografia devido ao efeito anódico, também apresentaram certa correspondência com os resultados da câmara de ionização.
A perda da eficiência de corrente de coletor dos transistores após dose acumulada de até 3 Gy não foram muito significativas, principalmente para os dispositivos com o parâmetro ganho menores, o que denota ser um dispositivo que sofre baixos danos decorrentes da ação dos feixes de raios X de baixa energia utilizado em mamografia.
O fato de o TBJ ter dimensões milimétricas e a câmara de ionização ter um diâmetro de 4,4 cm sugere que o transistor tem a vantagem de proporcionar melhor resolução medição da intensidade do campo de radiação em mamografia.
O procedimento com TBJ que foi utilizado neste trabalho inova o estado da técnica no que diz respeito à medição da uniformidade do campo de radiação em feixes de raios X de mamografia.
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