UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA BIOMÉDICA
MICHELETORQUATO
VALIDAÇÃO DE FOLHAS DETECTORAS OSL DE CaF
2PARA
APLICAÇÕES EM RADIOCIRURGIA
DISSERTAÇÃO
Curitiba 2019
MICHELETORQUATO
VALIDAÇÃO DE FOLHAS DETECTORAS OSL DE CaF
2PARA
APLICAÇÕES EM RADIOCIRURGIA
Dissertação apresentada como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Biomédica, do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Área de Concentração: Física Médica. Orientadora: Profa. Dra. Anna Luiza Metidieri Cruz Malthez
Coorientador: Prof. Dr. Danyel Scheidegger Soboll.
Curitiba 2019
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
Torquato, Michele
Validação de folhas detectoras OSL de CaF2 para aplicações em radiocirurgia [recurso eletrônico] / Michele Torquato.-- 2020.
1 arquivo texto (71 f.): PDF; 9,72 MB. Modo de acesso: World Wide Web
Título extraído da tela de título (visualizado em 21 fev. 2020) Texto em português com resumo em inglês
Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Engenharia Biomédica, Curitiba, 2019
Bibliografia: f. 62-65.
1. Engenharia biomédica - Dissertações. 2. Radioterapia. 3. Radiação -
Dosimetria. 4. Dosímetros. 5. Arcoterapia volumétrica de intensidade modulada. 6. Luminescência opticamente estimuladaI. I. Malthez, Anna Luiza Metidieri Cruz. II. Soboll, Danyel Scheidegger. III. Título.
CDD: Ed. 23 -- 610.28 Biblioteca Central da UTFPR, Câmpus Curitiba
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação
TERMO DE APROVAÇÃO DE DISSERTAÇÃO Nº140
A Dissertação de Mestrado intitulada “Validação de folhas detectoras OSL de CaF2 para aplicações
em radiocirurgia”, defendida em sessão pública pela candidata Michele Torquato, no dia 17 de dezembro de 2019, foi julgada para a obtenção do título de Mestre em Ciências, área de concentração Engenharia Biomédica, linha de pesquisa Física Médica e aprovada em sua forma final, pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica.
BANCA EXAMINADORA:
Anna Luiza Metidieri Cruz Malthez, Dra – UTFPR
Carla Roberta de Barros Rodrigues Dias, Dra – UTFPR
Roseli Kunzel, Dra – UNIFESP Diadema
A via original deste documento encontra-se arquivada na Secretaria do Programa, contendo a assinatura da Coordenação após a entrega da versão corrigida do trabalho.
Curitiba, 17 de dezembro de 2019.
Aos meus pais Eliseu e Marli, por todo amor e dedicação principalmente nesses dois últimos anos que juntamente com minhas irmãs Elisangela e Karina, me deram forças para seguir adiante principalmente nos dias mais desafiadores.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus pelo dom da Vida, porque sem ela nada disso seria possível. Tenho a certeza de que esses dois últimos anos e todas as dificuldades enfrentadas permitiram que eu me tornasse um ser humano muito melhor.
Agradeço com muita alegria aos meus pais, Eliseu José Torquato e Maria Marli Milani Torquato por serem meu porto seguro e meu exemplo. As minhas irmãs Elisangela Torquato Novo e Karina Torquato Silva, aos meus cunhados Rodrigo Dionizio Silva e André Augusto Alves Novo e os meus sobrinhos por todo apoio, carinho e incentivo vocês são essenciais na minha vida.
Um agradecimento muito especial a minha orientadora, Prof. Dra. Anna Luiza M C Malthez por não desistir de mim, por todo apoio, conversas, dicas, mas principalmente pela confiança e oportunidade de testar os detectores. Ao meu coorientador Prof. Dr. Danyel S Soboll um exemplo de mestre e profissional da radioterapia, foi através do seu incentivo e principalmente de suas aulas maravilhosas que iniciei em 2005 a minha carreira como Dosimetrista.
Agradeço ao meu local de trabalho, a Clinirad, por autorizar a realização das medidas de dose em suas dependências, tornando possível esse trabalho. Aos meus amigos de trabalho obrigada pela parceria de todos os dias, tenho certeza de que fazemos parte da elite dos serviços/clínicas de radioterapia do Brasil.
Agradeço aos meus amigos, em especial a Patrícia Selusnhaki e ao Felipe Lima, sempre disponíveis para uma boa conversa, um café, uma risada ou até um conselho. Juntos deixamos a vida mais leve.
Um agradecimento especial ao Rafael Victor de Oliveira uma pessoa extraordinária, linda e muito especial que em tão pouco tempo me ensina, me apoia e mesmo de longe se faz presente todos os dias.
Com toda certeza estas palavras escritas aqui são poucas para agradecer a todas as pessoas que de alguma maneira contribuíram e me apoiaram nessa etapa importante da minha carreira. A todos os envolvidos meu Muito Obrigada!
“Cada pessoa deve trabalhar para o seu aperfeiçoamento e, ao mesmo tempo, participar da responsabilidade coletiva por toda a humanidade”.
RESUMO
TORQUATO, Michele. Validação de Folhas Detectoras OSL de CaF2 para
Aplicações em Radiocirurgia. 2019. 71 folhas. Dissertação - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2019.
Entre todas as modalidades terapêuticas na radioterapia, a radiocirurgia ganhou destaque como forma efetiva de tratamento associada com baixa morbidade e mortalidade. Em especial, a tecnologia Arcoterapia Volumétrica Modulada (VMAT – Volumetric Modulated Arc Therapy) fornece cobertura ao volume de tratamento preservando os órgãos de risco, com a vantagem da entrega rápida da dose, permitindo mais conforto e reduzindo o movimento durante a execução do tratamento. Na radiocirurgia, além dos testes de qualidade dos equipamentos, são necessários outros meios de controle para garantir a entrega da dose planejada para cada paciente. Os controles de qualidade e as medidas de dose podem ser feitas empregando câmara de ionização, filme radiocrômico, detectores luminescentes entre outros. Dentre os sistemas dosimétricos que utilizam detectores luminescentes disponíveis, tem-se os baseados na luminescência opticamente estimulada (Optically Stimulated Luminescence – OSL). Devido à natureza óptica do processo, estes apresentam como principal vantagem a possibilidade de reavaliação das doses (releitura), avaliação da distribuição e perfil de dose. Considerando a necessidade de meios precisos e eficientes para dosimetria em campos pequenos e as vantagens dos detectores OSL, neste trabalho foi comparado o controle de qualidade feito com câmara de ionização durante o planejamento de tratamentos de radiocirurgia (padrão ouro) com o controle de qualidade empregando folhas detectoras OSL de fluoreto de cálcio (CaF2) em folhas baseadas na fluorita nacional brasileira. Para a validação do
controle de qualidade em radiocirurgia utilizando as folhas OSL de CaF2, estas foram
colocadas na posição da câmara de ionização no fantoma, assim como realizado na rotina, para verificar as doses planejadas hipofracionadas de 300 cGy e 600 cGy e a de tratamento de 2100 cGy. Para a dose prescrita de 2100 cGy foram obtidas a distribuição de dose e o perfil do campo utilizando folhas detectoras OSL. Em seguida, com objetivo de validar o uso das folhas detectoras, foi executado o tratamento com a prescrição de 2100 cGy em simulador antropomórfico e as doses medidas foram comparadas com as apresentadas no sistema de planejamento. Os valores de dose avaliados para cada um dos três planejamentos ao longo do comprimento das fitas detectoras OSL estão compatíveis com os valores fornecidos pelo sistema de planejamento e medidos com a câmara de ionização. Além disso foi possível verificar a distribuição de dose e o perfil de campo em radiocirurgia com VMAT empregando as folhas detectoras OSL. Os resultados obtidos nesse trabalho validam a aplicação das folhas detectoras OSL baseadas na fluorita natural brasileira em radiocirurgia indicando suas aplicações para medidas de distribuição de dose, controle de qualidade e dosimetria em tratamentos de radioterapia com altas doses.
Palavras chaves: Radioterapia. Radiocirurgia. OSL. Dosimetria. Controle de Qualidade.
ABSTRACT
TORQUATO, Michele. Validation of CaF2 OSL Detector Sheets for Radiosurgery
Applications. 2019. 71 folhas. Dissertação - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2019. Among all therapeutic modalities in radiotherapy, radiosurgery has gained prominence as an effective form of treatment associated with low morbidity and mortality. Particularly, Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT) technology provides treatment volume coverage preserving risk organs, with the benefit of rapid dose delivery. It allows more comfort and reducing movement during treatment execution. In radiosurgery, in addition to equipment quality testing, other controls are required to ensure delivery of the planned dose to each patient. Quality controls and dose measurements can be made using ionization chamber, radiochromic film, luminescent detectors and others. Among the dosimetric systems that employ luminescent detectors are those based on Optically Stimulated Luminescence (OSL). Due to the optical nature of the process, the main advantage is the possibility of re-evaluation of doses (rereading), evaluation of distribution and dose profile. Considering the need of accuracy and efficiency for small field dosimetry and the advantages of OSL detectors, this study compared the quality control done with ionization chamber during the planning of radiosurgery treatments (gold standard) with the quality control using OSL detector sheets of calcium fluoride (CaF2) based on Brazilian national fluorite. To
validate quality control in radiosurgery using CaF2 OSL sheets, these were placed in
the position of ionization chamber into the phantom, as routinely performed, to verify the planned hypofractioned doses of 300 cGy and 600 cGy and the treatment dose. of 2100 cGy. For the prescribed dose of 2100 cGy, dose distribution and field profile were obtained using OSL detector sheets. Then, aiming validation of OSL sheets, it was performed the treatment, with the prescribed dose of 2100 cGy, in an anthropomorphic simulator, comparing the evaluated doses through detector sheets with those presented in the planning system. The evaluated doses, for each of the three values, along the length of the OSL detector strips are compatible with the values provided by the system and measured with the ionization chamber. In addition, it was possible to verify the dose distribution and field profile in radiosurgery with VMAT using OSL detector sheets. The obtained results validate the application of OSL detector sheets based on Brazilian natural fluorite in radiosurgery, indicating their application for dose distribution, quality control and dosimetry measurements in radiotherapy with high dose treatments.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Acelerador Linear SynergyFull com 6 e 15 MV para energia de fótons e 4, 6, 9, 12 e 15 MeV para elétrons. ... 23 Figura 2 - Projeto básico de uma câmara de ionização cilíndrica do tipo Farmer. .... 36 Figura 3 - Filme radiocrômico irradiado para curva de calibração com aumento gradual da dose. ... 38 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). ... 40 Figura 5 – (b) Câmara de ionização PTW semi-flex (modelo TN31010) e (a) eletrômetro PTW (Unidos). ... 42 Figura 6 - Fantoma de dimensões 30 x 30 x 17 cm³ e câmara de ionização PTW semi-flex (modelo TN31010). ... 43 Figura 7- Folhas detectoras OSL de CaF2 produzidas na UTFPR-CT... 43 Figura 8 - Leitor OSL linear do IFUSP e fita detectora OSL de CaF2 identificada. .... 44
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. ... 45 Figura 10 - Testes dosimétricos de garantia de qualidade em aceleradores. A esquerda vista lateral do fantoma e a direita vista superior do fantoma... 46 Figura 11 - Imagem tomográfica do simulador antropomórfico com delimitação de alvo. ... 46 Figura 12 - Planejamento radiocirurgia (VMAT) em simulador antropomórfico. ... 47 Figura 13 - Fantoma polimetilmetacrilato 30 x 30 x 17 cm³ com densidade equivalente à água no sistema de planejamento Monaco Elekta. ... 48 Figura 14 - Irradiação para levantamento do fator de calibração nas folhas detectoras OSL. ... 48 Figura 15 - Posicionamento folha OSL de CaF2 para validação da dose planejada no
controle de qualidade. ... 49 Figura 16 - Posicionamento folha OSL de CaF2 para validação da dose entregue em
comparação com o sistema de planejamento em simulador antropomórfico. ... 49 Figura 17 - Posicionamento folha OSL de CaF2 para validação da dose entregue em
comparação com o sistema de planejamento em simulador antropomórfico. ... 51 Figura 18 - Ajuste linear das intensidades OSL em função da dose para obter o fator de calibração. ... 52 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. ... 54 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. ... 55 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. ... 56 Figura 22 - Distribuição de dose mostrada no sistema de planejamento para tratamento de radiocirurgia com dose prescrita de 2100 cGy (acima) e histograma de dose volume (abaixo). ... 57 Figura 23 - Distribuição de dose mostrada pelo sistema de planejamento para controle de qualidade com câmara de ionização para tratamento de radiocirurgia com dose prescrita de 2100 cGy... 57 Figura 24 - Distribuição de dose (acima) e vista superior (abaixo) obtida na folha detectora OSL de CaF2 com dimensões de 4 x 6 cm² para tratamento de radiocirurgia
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Testes de garantia da qualidade de aceleradores recomendados no TECDOC 1151. ... 27 Tabela 2 - Doses fornecidas no planejamento e medidas com CI e avaliadas com as fitas detectoras OSL de CaF2. ... 52
LISTA DE SIGLAS
CNEN Comissão Nacional de Energia Nuclear INCA Instituto Nacional de Câncer José de Alencar OMS Organização Mundial de Saúde
OSL Opically Stimulated Luminescence – Luminescência Estimulada Opticamente
TRS Technical Reports Series - Série de Relatórios Técnicos
VMAT Volumetric Modulated Arc Therapy - Arcoterapia Volumétrica Modulada 2D Radioterapia Convencional
3D CRT
Radioterapia Conformacional Tridimensional
BEV Beam’s Eye View – Campo Visto do Feixe
DRR Digitally Reconstructed Radiography - Radiografia Digitalmente Reconstruída
DVH Dose and Volume Histogram - Histograma de Dose e Volume SBRT Radioterapia Estereotáxica Extracrânio
IMRT Intensity Modulated Radiation Therapy - Radioterapia de Intensidade Modulada
UM Unidades Monitoras
IAEA International Atomic Energy Agency - Agência Internacional de Energia Atômica
ICRP International Commission on Radiological Protection - Comissão Internacional de Proteção Radiológica
PQRT Programa de Qualidade em Radioterapia LSL Lesão Subletal
TLD Thermoluminescent Dosimeter - Detectores Termoluminescentes
TL Termoluminescentes
ICRU International Commission on Radiation Units and Measurements – Comissão Internacional de Unidades e Medidas de Radiação
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 2 OBJETIVOS ... 18 2.1 OBJETIVO GERAL ... 18 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 18 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 19 3.1 RADIOTERAPIA ... 19
3.1.1 TELETERAPIA OU RADIOTERAPIA EXTERNA... 19
3.1.2 DOSE E FRACIONAMENTO ... 21
3.1.3 EQUIPAMENTO ... 22
3.2 GARANTIA DE QUALIDADE ... 24
3.2.1 CONTROLE DE QUALIDADE EM ACELERADOR LINEAR ... 25
3.2.2 CONTROLE DE QUALIDADE NO TRATAMENTO RADIOTERÁPICO . 31 3.3 GRANDEZAS DOSIMÉTRICAS ... 32 3.3.1 EXPOSIÇÃO ... 32 3.3.2 DOSE ABSORVIDA ... 33 3.3.3 KERMA ... 33 3.4 DETECTORES DE RADIAÇÃO ... 34 3.4.1 CÂMARA DE IONIZAÇÃO ... 35 3.4.2 FILME RADIOGRÁFICO ... 37 3.4.3 FILME RADIOCRÔMICO ... 37
3.4.4 DETECTORES POR LUMINESCÊNCIA ... 38
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 42
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 51
6 CONCLUSÕES ... 60
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 61
REFERÊNCIAS ... 62
ANEXO A – Certificado de Calibração câmara de ionização PTW semi-flex (modelo TN31010). ... 66
ANEXO B – Certificado de Calibração câmera de ionização PTW farmer (modelo TN30013). ... 69
1 INTRODUÇÃO
Com base no Registro de Câncer do Ministério da Saúde (MS) do Instituto Nacional de Câncer José de Alencar Gomes da Silva (INCA), estimou-se, para o biênio 2018 – 2019, cerca de 300.140 novos casos de câncer em homens e 282.450 novos casos em mulheres totalizando mais de 500 mil novos casos primários de câncer em todo território nacional (INCA, 2018).
Dentre as melhores práticas disponíveis, de acordo com a Organização Mundial de Saúde (OMS), a radioterapia é uma das principais opções no controle do câncer, já que aproximadamente 52% dos pacientes oncológicos devem receber radioterapia pelo menos uma vez ao longo do tratamento. Ainda quando associada a outras modalidades, a radioterapia tem papel fundamental no tratamento, estimando-se que cerca de 40% dos pacientes curados de câncer passaram por essa modalidade. Além disso, esta modalidade é eficaz nos tratamentos paliativos e no controle de sintomas em casos avançados ou de recidiva (OMS, 2008).
Entre todas as modalidades terapêuticas na radioterapia, a radiocirurgia ganhou destaque como forma efetiva de tratamento devido sua associação às baixas morbidade e mortalidade (MINTZ, 1996). Em conjunto com essa modalidade terapêutica, a tecnologia Arcoterapia Volumétrica Modulada (Volumetric Modulated Arc Therapy - VMAT) é utilizada mundialmente por se mostrar capaz de fornecer cobertura adequada ao volume de tratamento preservando satisfatoriamente os órgãos de risco, além da vantagem da entrega rápida da dose, permitindo mais conforto ao paciente e reduzindo o movimento durante a execução do tratamento (STUDENSKI et al., 2013).
Nas diversas áreas que utilizam radiação ionizante, devido à proteção radiológica, se faz necessário o controle de qualidade para se conhecer a dose entregue em cada procedimento. Os controles de qualidade e as medidas de dose podem ser feitas de várias maneiras através do uso de câmara de ionização, filme radiocrômico, detectores luminescentes entre outros (ICRU, 1993; PODGORSAK, 2005).
Baseada nas recomendações internacionais a Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), que regulamenta no Brasil as instituições que utilizam radiação
ionizante para fins terapêuticos, estabelece como obrigatório os testes de qualidade e processos a serem adotados para garantir a segurança nos tratamentos e a precisão na entrega da dose prescrita. Porém, não descreve os procedimentos e a metodologia adotada nestes procedimentos (CNEN, 2017; IAEA TRS 398, 2006; PQRT/INCA, 2000).
Atualmente, no Brasil e em diversos países, é adotado o protocolo descrito no documento Technical Reports Series 398 (TRS 398 - Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy: An International Code of Practice for Dosimetry based on Standards of Absorbed Dose to Water), da Agência Internacional de Energia Atômica (IAEA - International Atomic Energy Agency). Este documento tem como objetivo facilitar a determinação da dose absoluta com exatidão em radioterapia. No caso da entrega da dose e determinação de parâmetros relacionados a sua avaliação em aceleradores lineares, como por exemplo, os fatores de correção a serem aplicados, este permite o uso de vários tipos de detectores e dosímetros (IAEA TRS 398, 2006).
Outra parte fundamental na qualidade dos tratamentos que pode afetar a entrega de dose, é a verificação da eficiência mecânica nos aceleradores lineares. Nos tratamentos que envolvem alta tecnologia como radioterapia de intensidade modulada, radiocirurgia e terapia volumétrica, além dos requisitos listados nos documentos mencionados, são necessários outros meios de controle de qualidade para garantir a entrega da dose planejada ao paciente. Vale citar que o controle de qualidade é personalizado ao planejamento de cada paciente. Tais verificações são fundamentais na segurança, pois verificam todas as etapas do processo desde o planejamento até a entrega de dose levando em consideração todas as particularidades do tratamento (AGAZARYAN, 2003; CNEN 2017).
Para verificação individual da dose entregue ao paciente, podem ser utilizados vários métodos, como já mencionado. Um deles por exemplo, consiste em empregar uma câmara de ionização para medida da dose em um ponto de um fantoma, juntamente com a irradiação de um filme radiocrômico, para obtenção de um plano de distribuição de dose. Os resultados são comparados com o sistema de planejamento para verificar a segurança do processo (ESTRO, 2008).
No caso da radiocirurgia, indicada para tratar lesões intracranianas pequenas (SALVAJOLI, 2013), há grande dificuldade em realizar dosimetria em regiões com campos pequenos de irradiação e gradiente elevado de dose, pois os medidores e
detectores, tradicionalmente utilizados nos centros de radioterapia, possuem restrições para esse tipo de medida. Por exemplo, as câmaras de ionização e semicondutores, não fornecem a resolução espacial que alguns planejamentos necessitam, enquanto os filmes radiocrômicos apresentam “efeito de borda” dificultando medidas em campos pequenos de irradiação (NIROOMAND, 1998).
Dentre os outros sistemas para avaliação de dose, destacam-se os detectores baseados na luminescência opticamente estimulada (Optically Stimulated Luminescence – OSL). Devido à natureza óptica do processo, alguns detectores OSL, comerciais como o Thermalox 995 (Materion Co) de óxido de berílio e o Luxel (Landauer Inc) de óxido de alumínio ou desenvolvidos nacionalmente como as folhas OSL baseadas na fluorita natural brasileira, apresentam como principal vantagem a possibilidade de reavaliação das doses (releitura), avaliação da distribuição e perfil de dose (JAHN et al., 2010, YUKIHARA et al, 2009, MALTHEZ et al., 2018a).
Tendo em vista a necessidade de métodos mais precisos e rápidos para verificar a entrega da dose em radiocirurgia, as vantagens da técnica OSL e o baixo custo envolvido na produção de folhas detectoras OSL de Fluoreto de Cálcio, neste projeto foi validada e avaliada a utilização das folhas OSL para aplicações em radiocirurgia.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo principal deste trabalho foi validar o uso das folhas detectoras OSL de CaF2 baseadas na fluorita natural brasileira para aplicações em radiocirurgia.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Este projeto teve como objetivos específicos:
A validação da metodologia do controle de qualidade em radiocirurgia usando as folhas detectoras OSL de CaF2, por meio da intercomparação
dos resultados obtidos com as folhas detectoras OSL de CaF2 e câmara de
ionização (padrão ouro) utilizada no serviço, e
A validação da metodologia do controle de qualidade em radiocirurgia usando as folhas detectoras OSL de CaF2 por meio da intercomparação da
distribuição de dose em um tratamento simulado de radiocirurgia, em fantoma antropomórfico, obtida com a folha detector de CaF2 e a
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 RADIOTERAPIA
A radioterapia emprega o uso terapêutico de radiação ionizante no tratamento de doenças benignas e malignas e tem como principal objetivo minimizar ou destruir o crescimento de células doentes preservando os tecidos sadios ao redor. Esta modalidade de tratamento, bem como o uso de raios X para tratamento de diversas patologias, teve início um mês após a descoberta dos raios X por Roentgen em 1895 (BONTRAGER 2015; SALVAJOLI 2013).
Existem duas técnicas utilizadas em radioterapia: a braquiterapia e a teleterapia. Na braquiterapia, uma fonte de radiação é colocada em contato ou muito próxima a área de tratamento. Para isso, fontes radioativas específicas são utilizadas por meio de guias diretamente no local ou muito próximas a região do tumor, reduzindo a exposição de tecidos saudáveis. Na teleterapia ou radioterapia externa, a fonte emissora de radiação, unidades de Cobalto-60, por exemplo, e os aceleradores lineares, permanecem a uma determinada distância do paciente não estando diretamente em contato com ele (PEREZ, 2018). A seguir, será descrita a técnica de radioterapia externa na qual está inserida a Radiocirurgia.
3.1.1 TELETERAPIA OU RADIOTERAPIA EXTERNA
Na radioterapia externa existem muitas técnicas de tratamento que podem ser utilizadas em benefício do paciente, nesta seção são descritas as principais baseadas na evolução tecnológica dos equipamentos disponíveis.
Uma das técnicas utilizadas na Radioterapia Externa é a Radioterapia Convencional com planejamento em Duas Dimensões (2D). Esta consiste em aplicar campos de tratamento paralelos opostos ou ainda, quando necessário, quatro campos sendo eles anteroposterior e laterolateral. Estes campos são delimitados por parâmetros ósseos baseados em radiografias realizadas em equipamentos de
radiodiagnóstico, em simuladores ou até nos equipamentos de tratamento como os aceleradores lineares. Nos tratamentos 2D boa parte do tecido normal adjacente é irradiado, logo os pacientes submetidos a essa técnica de tratamento apresentam um maior número de complicações devido a toxicidade, o que limita a dose final de tratamento (SALVAJOLI, 2013).
O avanço da informática, os estudos das imagens digitais e a chegada da tomografia computadorizada na década de 70 permitiram que a radioterapia ganhasse maior precisão e exatidão, levando ao desenvolvimento da Radioterapia Tridimensional Conformacional (3D-CRT - 3D Conformational Radiation Therapy) e da radioterapia estereotáxica ou radiocirurgia estereotáxica.
A 3D-CRT delimita a região tumoral e aplica um tratamento fracionado com precisão poupando os tecidos vizinhos adjacentes. Na radiocirurgia estereotáxica, a dose de radiação planejada é aplicada em fracionamento único, com extrema precisão de posicionamento, em uma pequena região alvo intracraniana de até 5 cm minimizando ao máximo doses nos tecidos normais ao redor (PQRT/INCA, 2000).
Nos últimos anos, outra técnica que tem se destacado é a Radioterapia Estereotáxica Extracrânio (SBRT). Nesta técnica, utilizando um número pequeno de frações (1 a 5) e altas doses de radiação, lesão extracranial como tumores hepáticos, lesões primárias ou secundárias de pulmão e metástases em coluna vertebral são irradiadas com alta precisão (MARTIN e GAYA, 2010).
Vale ressaltar que a informatização do planejamento radioterápico, permitiu que a equipe multidisciplinar, formada por médicos, físicos e dosimetristas, utilizando os sistemas de planejamento, passasse a fazer a delimitação exata do volume a ser irradiado e dos tecidos vizinhos sadios. Além disso, os sistemas de planejamento permitem a utilização de ferramentas, como do Beam’s Eye View (BEV), por exemplo, que possibilitam a visualização da área a ser irradiada do ponto de vista do feixe de radiação e de Radiografias Digitalmente Reconstruídas (DRR) facilitando a identificação das estruturas, a utilização de maior número de campos e a avaliação de dose de radiação nos órgãos críticos através do Histograma de Dose e Volume (DVH - Dose Volume Histogram) (SALVAJOLI, 2013).
A modernização da radioterapia trouxe ainda a Radioterapia de Intensidade Modulada (IMRT - Intensity Modulated Radiation Therapy). Técnica essa que alia as vantagens do tratamento 3D com um processo de otimização da dose auxiliado pelo computador; planejamento inverso, com o objetivo de customizar a distribuição não
uniforme do mapa de fluência possibilitando maior controle local e reduzindo a toxicidade nos tecidos adjacentes normais (SALVAJOLI, 2013).
Os tratamentos de IMRT utilizam feixes de radiação com posições de gantry fixas e vários segmentos de lâminas para uma mesma posição de gantry, com isso, eleva-se muito o tempo de entrega da dose e a permanência do paciente na sala de tratamento. A fim de solucionar o tempo elevado de tratamento da IMRT, os tratamentos de Arcoterapia Volumétrica Modulada (VMAT - Volumetric Modulated Arc Therapy) aliam as técnicas de planejamento utilizadas no IMRT com rotação dinâmica de até 360° do gantry, ao redor do paciente, variando ao mesmo tempo os parâmetros de taxa de dose, velocidade do gantry e velocidade da lâmina (PEREZ,2018).
Estudos publicados na literatura mostram que utilizando a técnica de VMAT é possível obter distribuições de dose parecidas ou melhores que as obtidas na IMRT, com o benefício de uma entrega de dose mais rápida, em alguns casos, fornecendo mais conforto ao paciente e com redução de até 32% nas Unidades Monitoras (UM) (STUDENSKI et al., 2013).
3.1.2 DOSE E FRACIONAMENTO
A escolha da dose de radiação utilizada no tratamento radioterápico leva em consideração vários fatores, como finalidade do tratamento (curativa, paliativa ou adjuvante), o quão sensível o tumor é a radiação, o tamanho da lesão a ser tratada, a proximidade e a tolerância dos tecidos normais ao redor (SALVAJOLI, 2013).
O fracionamento da dose na radioterapia pode ser de várias formas: o clássico, o hiperfracionamento, o fracionamento acelerado e o hipofracionamento. As formas de fracionamento são fundamentadas nos cinco R’s da Radiobiologia: redistribuição, reparo da Lesão Subletal (LSL), repopulação, reoxigenação e radiossensibilidade (SALVAJOLI, 2013).
No fracionamento clássico, mais empregado na radioterapia, as doses administradas são de 180 a 200 cGy por fração diária, cinco dias na semana. Essa forma de fracionamento aumenta a reoxigenação nas células tumorais e consequentemente a lesão no tecido e permite a repopulação de células rápidas e o
reparo de células de respostas lenta nos tecidos sadios ao redor (PEREZ, 2018). O hiperfracionamento ocorre quando doses menores de radiação, 115 a 125 cGy, são empregadas em tratamentos com frações duas vezes ao dia, com intervalo de 4 horas entre cada fração, possibilitando o reparo da LSL no tecido normal com uma dose final de 15% a 20% maior do que no fracionamento clássico (SALVAJOLI, 2013)
Quando se faz necessário encurtar o tempo de tratamento do paciente e a lesão tumoral condiz com um fracionamento reduzido, pode-se utilizar o fracionamento acelerado. Essa técnica de fracionamento, chamada também de boost concomitante, possibilita o tratamento de duas doses distintas ao mesmo tempo (GARDEN et al., 2008).
Com a evolução dos aceleradores lineares e os meios de imagem para localização tumoral cada vez mais precisos o hipofracionamento vem ganhando importância, pois visa a administração de altas doses de radiação em um número bem reduzido de frações ou até em fracionamento único. O principal objetivo desse tipo de fracionamento quando adotado pela equipe médica, é reduzir o tempo de tratamento, inibir o reparo da LSL e atuar com maior eficiência sobre as células hipóxias (SALVAJOLI, 2013).
3.1.3 EQUIPAMENTO
Os equipamentos na radioterapia externa historicamente podem ser de três tipos: os equipamentos de raios X (ortovoltagem), raios gama de Cobalto-60 e o acelerador linear. As unidades de Cobalto-60, emitindo raios gama de alta energia, e os equipamentos de ortovoltagem foram utilizadas como padrão de tratamento por muitos anos em algumas localizações tumorais, mas foram substituídos amplamente por aceleradores lineares (Figura 1) (BONTRAGER, 2015).
Figura 1 - Acelerador Linear SynergyFull com 6 e 15 MV para energia de fótons e 4, 6, 9, 12 e 15 MeV para elétrons.
Fonte: Autora
Os aceleradores lineares normalmente são habilitados para operarem com dupla energia de fótons e várias energias de elétrons. Equipamentos como este devem possuir um sistema móvel chamado carrossel, que possibilita escolher o filtro equalizador para cada energia de fótons e um filtro espalhador para cada energia de elétrons (PQRT/INCA, 2000). Assim, um acelerador linear é capaz de produzir raios X de alta energia quando uma corrente é produzida pelo filamento (catodo), acelerada e colide com o ânodo. A faixa de raios X emitida pelo equipamento é controlada por alta voltagem aplicada ao feixe de elétrons em aceleração que atingem o ânodo (BONTRAGER,2015).
Como forma de precisão e auxílio no posicionamento dos pacientes, os aceleradores lineares possuem um sistema de dimensionamento do feixe de radiação com objetivo de determinar o tamanho e o formato do campo a ser tratado. Para isso, uma luz de campo, um telêmetro e mandíbulas de movimentos independentes são incorporadas no cabeçote da máquina. Além disso, o acelerador linear conta com um sistema de colimação de alta definição, composto por multilâminas o qual possibilita
uma melhor conformação da dose nos volumes alvos irradiados (PQRT/INCA, 2000). A partir da década de 90 os aceleradores lineares foram atualizados e informatizados, com sistemas de imagens digitais como: portal eletrônico e cone beam, para o correto posicionamento do paciente, além de sistemas para a modulação do feixe de radiação, possibilitando tratamentos de radioterapia externa cada vez mais modernos e com entrega de dose cada vez mais rápida e precisa (SALVAJOLI, 2013).
3.2 GARANTIA DE QUALIDADE
Segundo a OMS a garantia da qualidade minimiza os erros no planejamento de tratamento e administração da dose ao paciente, e, portanto, melhora os resultados da radioterapia, aumentando a taxa de remissões e diminuindo a taxa de complicações e recidivas. Além disso, destaca que:
● A garantia da qualidade permite a intercomparação de resultados entre centros distintos de radioterapia, tanto em nível nacional como internacional, garantindo uma dosimetria e administração do tratamento mais uniforme e exata;
● As características avançadas dos equipamentos modernos de radioterapia não podem ser aproveitadas completamente a menos que se alcance um elevado nível de exatidão e consistência; e
● Um programa de garantia da qualidade é o método mais sensível e eficaz de reduzir acidentes em radioterapia.
A dose prescrita para tratamentos em radioterapia é considerada como a dose absorvida total, ou por fração no volume alvo, conforme descrita por radioterapeuta (RDC 20, 2006). Os riscos na radioterapia devem ser controlados sendo fundamental manter os erros de dose dentro do limite permitido. A dose de radiação entregue nos tratamentos de radioterapia deve ser de ± 5% da dose prescrita. Em alguns tipos de tumores, como os tumores tratados com a radiocirurgia, a exatidão na entrega da dose deve ser ainda maior com limite de até ± 3,5% da dose prescrita (ICRU 24,1976). A garantia da qualidade na radioterapia inclui todos os processos que garantam e certifiquem o cumprimento seguro da prescrição da dose entregue ao volume alvo do paciente preservando o tecido vizinho adjacente (CNEN, 2017). Assim, os
processos de controle de qualidade em radioterapia devem ser seguidos em todos os estágios do tratamento, ou seja, desde a localização do tumor, imobilização do paciente, colocação do campo de tratamento, dose de calibração, cálculos, entrega de dose bem como para comissionamento e manutenção do equipamento (ICRP, 1996).
Baseada nas recomendações internacionais, a CNEN, que regulamenta a legislação brasileira para as instituições que utilizam radiação ionizante para fins terapêuticos, não descreve os processos e metodologias adotados para o controle de qualidade, porém dá a obrigatoriedade de se implementar o controle de qualidade para garantir a segurança nos tratamentos e na precisão na entrega da dose prescrita (CNEN, 2017).
3.2.1 CONTROLE DE QUALIDADE EM ACELERADOR LINEAR
Considerando que o objetivo dos tratamentos na radioterapia é entregar a máxima dose na região tumoral, se faz necessário um controle de qualidade rigoroso do funcionamento do acelerador linear referente a entrega de dose ao paciente (PQRT/INCA, 2000).
Segundo o Programa de Qualidade em Radioterapia (PQRT) do INCA, o departamento de física médica, responsável pela qualidade dos equipamentos, deve assegurar que:
● Acelerador linear utilizado obtenha, rotineiramente, um feixe de radiação com a exatidão e a precisão necessária;
● A programação e execução dos procedimentos de dosimetria e manutenção, garantindo que os equipamentos mantenham suas especificações originais em toda vida útil, e
● Assegurar a distribuição de dose para uma dada configuração de feixe (dosimetria clínica).
Quanto maior a precisão necessária, mais complexos, trabalhosos e custosos são os procedimentos dosimétricos para manter a qualidade na entrega de dose minimizando os erros de posicionamento do paciente, posição do volume tumoral ou
nos parâmetros dosimétricos do feixe.
Para garantir uma dosimetria com uma incerteza de ± 3% na radioterapia, a IAEA publicou em 1987 a primeira edição do protocolo TRS 277 - “Determinação da Dose Absorvida em Feixes de Fótons e Elétrons – Um código de Prática Internacional” o qual foi atualizado em uma segunda versão em 1997. Em 2000, a IAEA apresentou o TRS 398 - Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy: An International Code of Practice for Dosimetry based on Standards of Absorbed Dose to Water), um substituto que apresenta grandes mudanças conceituais em relação ao formalismo (SOUZA, 2004).
O TRS 398 prevê a calibração do dosímetro utilizado no serviço de radioterapia em função da dose absorvida na água, ao contrário de protocolos anteriores, que previam a calibração do dosímetro em termos de exposição ou kerma no ar. Ainda segundo esse protocolo, o dosímetro deve ser calibrado em um campo de radiação equivalente ao do usuário, ou seja, em um feixe com o mesmo tipo e energia de radiação. Como os laboratórios de calibração não dispõem de infraestrutura para atender a usuários de diferentes campos de radiação, feixes de Cobalto-60 são tomados como referência para a calibração dos instrumentos de dosimetria, câmara de ionização e eletrômetro, e fatores de correção para o feixe de radiação utilizado pelo usuário são aplicados.
Para cumprir essas exigências o serviço de radioterapia deve dispor de dois sistemas de medição de referência que devem possuir uma câmara de ionização cilíndrica, aberta à atmosfera, à prova d’água e com volume nominal de 0,6 cm³, um eletrômetro com mostrador digital de 4 dígitos, ou 1% de resolução na leitura de corrente ou carga elétrica, com fonte elétrica para polarização da câmara de ionização reversível, positiva e negativa, e tensão variável com razão maior ou igual a 2 e um cabo de conexão da câmara de ionização ao eletrômetro (CNEN, 2017).
A dosimetria clínica utiliza um conjunto dosimétrico de câmara de ionização mais eletrômetro, especificado acima, e um fantoma de água medindo 40 x 40 x 40 cm³ e campo de radiação 10 x 10 cm², no qual são verificadas as doses de referência conforme as encontradas no comissionamento do acelerador linear no dia do aceite. O teste dosimétrico consiste em verificar se 100 (cem) unidades monitoras entregues pelo acelerador linear equivale a 100 cGy de dose absorvida (TRS 398, 2006). Essa verificação deve ser realizada mensalmente ou todas as vezes que se fizer necessário após manutenção do acelerador linear feita pela equipe de engenharia (CNEN, 2017).
Os limites de tolerância aceitos na dosimetria clínica são de até 2% na relação cGy por unidade monitora. (TRS 398, 2006).
Além da dosimetria clínica, outros procedimentos devem ser adotados para garantir a qualidade em aceleradores lineares e minimizar os erros na entrega de dose ao paciente, como por exemplo, os testes mecânicos e de segurança. A Tabela 1 apresenta os testes recomendados no TECDOC1151 da IAEA, que devem ser realizados pela equipe de física médica, em serviços de radioterapia, e a frequência de realização dos testes.
Tabela 1- Testes de garantia da qualidade de aceleradores recomendados no TECDOC 1151.
FREQUÊNCIA TESTE TOLERÂNCIA
DIÁRIOS
Segurança
Verificação de câmaras monitoras Funcionando
Luzes no painel de controle Funcionando
Luzes de irradiação Funcionando
Sistemas de visualização Funcionando
Sistemas anti-colisão Funcionando
Interruptor de radiação no acesso à sala de
radiação Funcionando
Interruptor de radiação no painel de Controle Funcionando Programação Interrupção por UM Funcionando Verificação de câmaras monitoras Funcionando
Mecânicos
Lasers Telêmetro 2 mm
Tamanho de campo (10x10 cm²) 2 mm a DFI
Centro do reticulado 2 mm
Centro do campo luminoso 2 mm diâmetro
Constância da Dose de Referência (fótons e
elétrons) 3%
MENSAL
Segurança
Verificar topo de mesa Funcionando Verificação de travas e códigos de acessórios Funcionando Pulsadores de corte de energia elétrica Funcionando
Verificar posição dos colimadores de fótons
Funcionando/ coincidente com
fabricante
Campos permitidos para filtros
Funcionando/ coincidente com
fabricante Mecânicos
Indicadores angulares da estativa 1°
Indicadores angulares do colimador 1°
Telêmetro
2 mm no intervalo de uso
Centro do reticulado 2 mm de diâmetro Simetria, paralelismo e ortogonalidade do
campo luminoso 2 mm
Indicadores de tamanho de campos 2 mm Isocentro mecânico 2 mm de diâmetro
Coincidência de campos de luz-radiação 2 mm
Horizontalidade da mesa 2 mm no intervalo de uso Posição de filtro 2 mm ou 2% fator de transmissão Posição de bandeja 2 mm
Trava de filtros e bandejas Funcionando
Centralização dos cones 2 mm
Verticalidade do eixo luminoso 2 mm
Escalas da mesa 2 mm/1°
Intensidade do campo de luz Funcionando
Dosimétricos Constância da Dose de Referência (fótons e
elétrons) 2%
Constância do monitor secundário 2%
Constância de qualidade do feixe:
Fótons (PDD20,10 ou TPR20,10) 2%
PDD de Elétrons (ou J1/J2)
2mm (4%), região terapêutica Constância de planura do feixe para:
Fótons 2%
Elétrons 3%
Simetria (fótons e elétrons) 3%
ANUAL
Segurança
Comprovação de todas as travas Funcionando
Mecânicos
Isocentro de rotação do colimador 2 mm de diâmetro
Isocentro de rotação da estativa 2 mm de diâmetro Isocentro de rotação da mesa 2 mm de diâmetro Coincidência dos eixos do col., estativa e 2 mm de diâmetro
mesa com o isocentro
Coincidência do isocentro mecânico e de
radiação 2 mm de diâmetro
Deslocamento vertical da mesa 2 mm Dosimétricos
Constância da Dose de Referência 2% Reprodutibilidade da Dose de Referência 1% Constância de fatores de campo 2% Constância de parâmetros sobre o eixo
central (PDD, TMR) 2%
Constância de fatores fora do eixo central 2% Constância dos fatores de transmissão de
todos os acessórios 2%
Constância dos fatores de transmissão dos
filtros 2%
Linearidade de resposta de câmaras
monitoras 1%
Dependência da Dose de Referência com a
taxa de dose 2%
Constância da Dose de Referência com a
angulação da estativa 2%
Modo Rotacional funcionando
3.2.2 CONTROLE DE QUALIDADE NO TRATAMENTO RADIOTERÁPICO
Em serviços que fazem uso da radiação ionizante para fins terapêuticos, se faz necessário, além da dosimetria clínica, outros meios para garantir a qualidade na entrega da dose planejada e prescrita ao paciente (CNEN, 2017).
A responsabilidade em criar esse manual de qualidade é da própria instituição, que deve assegurar, além de meios para garantir a qualidade dos serviços, que esta se mantenha dentro dos padrões admitidos nacional e internacionalmente e que disponha de mecanismos necessários para corrigir desvios que possam gerar danos ao paciente. Esse programa deve detalhar o Controle de Qualidade, incluindo os testes, procedimentos, frequência de realização destes testes, critérios de ação, documentação requerida e a especificação detalhada das pessoas responsáveis por cada ação (PQRT/INCA, 2000).
Em especial, no caso da técnica VMAT, como esta apresenta variações na entrega de dose, na velocidade do gantry e no movimento das lâminas durante o arco de tratamento, é necessário um controle de qualidade mais exigente, pois tais evoluções, no tratamento, podem gerar incertezas durante a entrega de dose (O’DANIEL et al., 2010).
No Report TG 119 para a dosimetria de feixes com intensidade modulada, recomenda-se o uso de câmaras de ionização com volumes sensíveis inferiores a 0,6 cm3 como as semi-flex (0,125 cm3) ou as câmaras de ionização Pinpoint (0,016 cm3),
pois câmaras de ionização com volumes maiores são mais susceptíveis a variações da distribuição de dose no volume analisado. Outra recomendação é a realização de medições preservando todos os parâmetros apresentados no planejamento da dose como campos de radiação, posições do gantry e angulações do colimador (EZZELL et al., 2009).
Devido à complexidade do processo de planejamento empregado na técnica de VMAT, o controle de qualidade passa a ser mandatório na verificação da entrega da dose pelo acelerador linear ao paciente. Essa verificação ocorre com a transferência do plano de tratamento do paciente e todas as suas particularidades, como a distribuição de dose, para um objeto simulador no sistema de planejamento. Que, posteriormente é aplicada ao objeto simulador juntamente com a câmara de
ionização no equipamento de teleterapia. Essa forma de controle de qualidade apresenta precisão, eficácia e facilidade de uso sendo considerada “padrão ouro”, e deve ser realizada antes do início do tratamento para identificar possíveis erros na entrega de dose (MYNAMPATI et al., 2012, EZZELL et al., 2009).
3.3 GRANDEZAS DOSIMÉTRICAS
As grandezas em Física das Radiações são divididas em três categorias principais, as grandezas de proteção e as grandezas operacionais, apresentadas detalhadamente pela ICRU e ICRP e são utilizadas especificamente em proteção radiológica, e as grandezas físicas (OKUNO e YOSHIMURA, 2010).
As principais grandezas físicas dosimétricas são exposição, dose absorvida e kerma e serão descritas a seguir.
3.3.1 EXPOSIÇÃO
Simbolizada por X, que é definida apenas para fótons (raios X e gama) interagindo no ar a grandeza exposição, apresenta uma medida da capacidade de fótons ionizarem o ar. Basicamente ela caracteriza um feixe de raios X ou gama e mede a quantidade de carga elétrica de mesmo sinal produzida no ar, por unidade de massa do ar. Essa carga elétrica resulta das ionizações efetuadas por partículas carregadas, como o elétron emitidos nos efeitos fotoelétrico e Compton, e ambos, elétron e pósitron, emitidos em processo de produção de pares. A definição de exposição X é,
𝑋 =
onde, dQ é o valor absoluto da carga total de íons de mesmo sinal, produzidos no ar, quando todos os elétrons e pósitrons liberados ou criados por fótons, em um elemento
de volume de ar cuja massa é dm, forem completamente freados no ar. (OKUNO e YOSHIMURA, 2010).
3.3.2 DOSE ABSORVIDA
A dose absorvida D é a grandeza física mais importante em radiobiologia, radiologia e proteção radiológica, pois está diretamente relacionada a energia de radiação absorvida e consequentemente ligada a danos biológicos (OKUNO e YOSHIMURA, 2010).
Na interação da radiação com a matéria ocorre a transferência de energia a qual nem sempre, é absorvida completamente. A fração absorvida da energia transferida corresponde à ionização dos átomos, quebra de ligações químicas dos compostos e incremento da energia cinética das partículas (calor). A relação com a massa do volume de material atingido é a base da definição da grandeza dose absorvida:
𝐷 =
= Gy
onde dEab é a energia média depositada pela radiação em um volume elementar de
massa dm. Essa grandeza vale para qualquer meio, para qualquer tipo de radiação e qualquer geometria de irradiação (OKUNO e YOSHIMURA, 2010).
3.3.3 KERMA
O kerma (Kinectic Energy Released per unit of Mass) é uma grandeza com a mesma unidade que a dose absorvida, sendo definida pela relação:
𝐾 =
𝑑𝐸𝑡𝑟
𝑑𝑚
onde dEtr é a energia transferida ao meio, que equivale a soma das energias cinéticas
iniciais de todas as partículas carregadas liberadas por partículas neutras ou fótons, incidentes em um material de massa dm (OKUNO e YOSHIMURA, 2010).
Como o kerma inclui a energia recebida pelas partículas carregadas, normalmente elétrons de ionização, estes podem dissipá-la nas colisões sucessivas com outros elétrons, ou na produção de radiação de freamento (bremsstrahlung), assim:
𝐾 = 𝐾𝑐 + 𝐾𝑟
onde, Kc é o kerma de colisão, quando a energia é dissipada localmente, por ionizações e/ou excitações, Kr é o kerma de radiação, quando a energia é dissipada longe do local, por meio dos raios X (OKUNO e YOSHIMURA, 2010).
3.4 DETECTORES DE RADIAÇÃO
Um detector de radiação para ser utilizado em dosimetria deve apresentar algumas características desejáveis como estabilidade na resposta ao longo do tempo, linearidade ou dose resposta linear no intervalo que se deseja medir, baixa dependência de dose ou da taxa de dose, baixas dependência energética e direcional, ou que seja possível corrigir, boa resolução espacial, entre outras (YUKIHARA e MCKEEVER, 2011, MALTHEZ, 2015).
Os detectores de radiação podem ser ativos, no qual a informação de dose é fornecida em tempo real, como, por exemplo, câmara de ionização e semicondutores, ou passivos, no qual a informação de dose é avaliada após a irradiação, como é o caso dos detectores luminescentes e filmes radiocrômicos (MALTHEZ, 2015).
Em especial, os detectores passivos como os detectores Termoluminescentes (TL) ou baseados na OSL bem como os filmes radiográficos e radiocrômicos, quando associado a um leitor compõe um sistema de dosimetria. Este sistema deve ser capaz de mensurar, direta ou indiretamente, as quantidades expostas de kerma, dose
absorvida ou grandezas físicas associadas a dose. Ainda os sistemas dosimétricos como câmara de ionização, que é conectada a uma eletrônica associada, devem ser capazes de medir em tempo real, os derivados no tempo (taxas) das grandezas físicas dosimétricas ou quantidades de radiação ionizante. Nem todos os detectores atende perfeitamente todas as características, logo a melhor opção deve levar em consideração as condições da situação de medição (PODGORSAK, 2005).
A seguir, serão descritos brevemente os principais detectores empregados em radioterapia, com suas vantagens e limitações.
3.4.1 CÂMARA DE IONIZAÇÃO
As câmaras de ionização são sistemas que utilizam meios gasosos como detectores e são utilizadas na radioterapia para determinação da dose de radiação nas condições de referência, calibração do feixe ou no controle de qualidade da dose administrada ao paciente.
As câmaras de ionização são comercializadas de várias formas e tamanhos, dependendo da finalidade a qual será utilizada, mas normalmente apresentam as seguintes características: apresentam uma cavidade preenchida de gás, envolvida por uma parede externa condutora, e um eletrodo coletor central separados por uma parede com meio isolante de alta qualidade, como visto na Figura 3, capaz de reduzir a fuga quando uma tensão de polarização é aplicada à câmara. Também é parte integrante das mesmas um eletrodo externo de proteção capaz de reter a corrente de fuga permitindo que ela flua para o solo, preservando o eletrodo central, para minimizar ainda mais o vazamento da câmara. Além disso, os valores medidos com esse detector necessitam de correção de temperatura e pressão, levando em consideração alterações na massa de ar no volume interno da câmara que são alteradas pela temperatura e pressão ambiente (PODGORSAK, 2005).
Figura 2 - Projeto básico de uma câmara de ionização cilíndrica do tipo Farmer.
Fonte: PODGORSAK, 2005.
Quando a radiação ionizante atravessa as paredes da câmara e ioniza os átomos do ar em seu interior, produz pares de cargas. Ao aplicarmos uma diferença de potencial entre as paredes da câmara e o eletrodo coletor, ocorre um campo elétrico dentro do volume da câmara. As cargas criadas pelas ionizações ocorridas dentro do volume de ar sofrem a ação deste campo e deslocam-se conforme a polaridade, originando uma corrente elétrica, que pode ser medida. Assim, a intensidade da corrente elétrica medida está associada à quantidade de ionizações dentro do volume de ar da câmara, que por sua vez está associada à quantidade de radiação que incidiu naquele volume.
As câmaras de ionização trabalham normalmente no modo corrente e, como a carga coletada é muito baixa, geram uma corrente elétrica da ordem de 10-12 Anpère
(A). A câmara de ionização é então acoplada a um eletrômetro, que é um dispositivo que mede pequenas correntes e as transforma em um valor relacionado a uma grandeza de medição do campo de radiação incidente. Existem vários tipos e formas de câmaras de ionização. Em dosimetria de feixes de fótons em teleterapia, se utilizam câmaras de ionização cilíndricas. Estas câmaras são produzidas por vários fabricantes, com volumes ativos variando de 0,1 até 1 cm3 e a mais popular é a câmara
dedal Farmer de 0,6 cm3 (SOUZA, 2012).
Embora sejam detectores ativos e, atualmente, o padrão ouro em radioterapia, estas apresentam algumas limitações relacionadas a fuga de corrente, no caso de campos grandes de radiação, e não apresentar distribuição de dose, já que a dose é integrada em um volume determinado (PODGORSAK, 2005).
3.4.2 FILME RADIOGRÁFICO
Vários detectores de radiação podem ser usados na radioterapia, o filme radiográfico é um detector passivo que se apresenta como uma opção, pois, como resultado da interação da radiação, forma uma imagem latente no filme, que pode servir como um detector de radiação, um dispositivo de exibição e um arquivo sendo úteis para verificação do tamanho de campo, na simulação de tratamentos ou como portal imagem para documentação do tratamento (PODGORSAK, 2005).
O filme radiográfico possui uma excelente resolução espacial 2D e, em uma única exposição pode fornecer informações da distribuição espacial e da atenuação de objetos, na área de interesse além de, medidas quantitativas, incluindo dosimetria de feixe de elétrons e a qualidade e controle de aparelhos de radioterapia como congruência de campos de luz e radiação e a determinação da posição de um eixo de colimador. Porém, o intervalo de dose útil do filme é limitado e possui dependência energética além dessas desvantagens, a resposta do filme depende do processamento da imagem que possui parâmetros difíceis de controlar (PODGORSAK, 2005).
3.4.3 FILME RADIOCRÔMICO
O filme radiocrômico é um detector passivo relativamente novo na dosimetria em radioterapia sendo o mais utilizado o GraFChromic®. É um filme incolor, com alta resolução espacial, ampla faixa dinâmica, baixa dependência energética, insensíveis a luz visível, dispensam processamento físico-químico e possui composição equivalente ao tecido. Na sua composição possuem um corante especial que ao ser exposto à radiação é polimerizado, alterando a coloração para azul ou verde e, as medidas de dose são obtidas a partir da transmissão de luz através do filme medida por um densitômetro. Estes são bem aceitos pela comunidade científica como detectores de referência bidimensional, porém seu custo é muito elevado, além de necessitarem de equipamento para leitura, densitômetros ou scanners (CHEUNG,
2006).
A Figura 3 ilustra um exemplo de aplicação do filme radiocrômico irradiado com várias doses para curva de calibração. Nesta é possível visualizar a mudança de coloração com o aumento da dose.
Figura 3 - Filme radiocrômico irradiado para curva de calibração com aumento gradual da dose.
Fonte: Autora
Em comparação com os filmes radiográficos os filmes radiocrômicos são geralmente menos sensíveis a baixas energias, sendo úteis em doses de tratamento mais altas e apresentam “efeito de borda”, locais de baixa concentração de dose que dificultam a leitura e possível determinação da dose recebida. Embora a não linearidade da resposta à dose deva ser corrigida na região da dose superior, o filme radiocrômico é um detector passivo, não fornece dose absoluta e se tomados os devidos cuidados com a calibração e as condições ambientais, é possível obter uma precisão superior a 3%. (PODGORSAK, 2005).
3.4.4 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).
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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
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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.
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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.
