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2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005
Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN
ISBN: 85-99141-01-5
ATRIBUTOS DE UM FANTOMA DE VÓXEL SEMI-ANALÍTICO
PARAMETRIZADO PARA DOSIMETRIA COMPUTACIONAL VIA
CÓDIGO MCNP-5
Paulo H. Campos da Mata, Tarcísio P. R. Campos
1
Programa de Pós-Gruaduação em Ciências e Técnicas Nucleares - CCTN
Universidade Federal de Minas Gerais
Av. Antônio Carlos, 6627, Prédio PCA1, sl 2285
31270901 Belo Horizonte, MG
[email protected]
RESUMO
Radioterapia (RT) representa uma técnica de tratamento oncológico, apesar de trazer possíveis seqüelas
irreversíveis. No entanto, para minimizar estes efeitos deletérios, é necessário que o tratamento radioterápico
avance para um nível de personalização no qual a radiodosagem seja a mais adequada possível para o paciente.
A radiodosimetria computacional por modelo de vóxels pode atingir um nível extremamente realista com uma
possível representação da anatomia e morfologia do indivíduo. Apesar de possuir um alto custo computacional,
a possibilidade de executar modelos de vóxels personalizados para predição de dose absorvida é atrativa. No
entanto, para redução de tempo de computação, é possível restringir tal técnica para uma determinada região de
interesse dentro de um modelo semi-analítico, onde a região próxima ao tumor e ao feixe de radiação receba um
modelo discreto de voxels, e para o restante do corpo utiliza-se um fantoma analítico simplificado. O presente
trabalho apresenta o desenvolvimento do modelo matemático de um fantoma semi-analítico computacional
parametrizado e personalizado, de acordo com os dados anatômicos do paciente. Tal fantoma parametrizado
com as medidas anatômicas do paciente pode reproduzir um modelo fidedigno do paciente. Sua utilização foi
testada em dosimetria em oncologia pediátrica. Um modelo parametrizado de uma criança de 6 anos foi
desenvolvido, onde um modelo de vóxel de cabeça e pescoço foi ajustado para este fantoma semi-analítico. Tal
conjunto foi utilizado para predizer doses absorvidas em aplicação de protocolo de radiação de cabeça.
Resultados da distribuição de dose serão apresentados bem como as características do fantoma infantil.
1. INTRODUÇÃO
A radioterapia (RT) representa uma importante técnica no tratamento oncológico. No entanto
pode trazer seqüelas irreversíveis para o paciente. Para que haja um aprimoramento no nível
de elaboração e aplicação de protocolos radioterápicos, sugere-se que a radiodosimetria seja
transferida para um nível personalizado durante o tratamento radioterápico. Para tal fim,
propõe-se o emprego de um modelo computacional, utilizando modelos de voxels que
reproduzem a anatomia e morfologia do indivíduo de forma realista. Entretanto, este tipo de
técnica requer um alto custo computacional. Entretanto, é possível restringir tal técnica para
uma determinada região de interesse dentro de um modelo semi-analítico, onde a região
próxima ao tumor e que recebe diretamente o feixe de radiação seja discretizado por um
modelo de vóxels, onde o restante do corpo é representado por um fantoma analítico
simplificado. Este trabalho apresenta o desenvolvimento do modelo analítico matemático que
compõe um fantoma computacional parametrizado e personalizado para fins de estudos
dosimétricos.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O processo de montagem do fantoma baseia-se em parâmetros (medidas) biométricos
externos avaliados diretamente no paciente. Estes dados são interpretados
computacionalmente gerando superfícies e volumes analíticos que comporão o fantoma
geométrico. Um arquivo padrão é alterado automaticamente por um pré-processador pelo
código de transporte de partículas MCNP. O modelo é composto por volumes e superfícies
analíticas. O modelo compõe-se de oito volumes distintos. Estes volumes são constituídos
através da intersecção de superfícies (elipsóides, planos, cones, dentre outros), as equações
que os delimitam são mostrados na Tabela 1.
Tabela 1 – Volumes constituintes do Fantoma
Formado por interseção entre
CABEÇA
Ax2 + By2 + Cz2 - K = 0 (elipsóide) e
Ax2 + By2 - K = 0 (elipse)
PESCOÇO
Ax2 + By2 - K = 0 (elipse)
OMBRO
Ay2 + Cz2 - K = 0 (elipse)
MEMBROS SUP.
Ax2 + By2 - Cz2 = 0 (cone elíptico)
TRONCO
Ax2 + By2 - K = 0 (elipse)
ABDOMEM
Ax2 + By2 - K = 0 (elipse)
PELVE
Ax2 + By2 - K = 0 (elipse)
MEMBROS INF.
Ax2 + By2 – Cz2 = 0 (cone cilíndrico)
Os coeficientes “A”, “B”, “C” e “K” das superfícies se ajustarão ao paciente de acordo com
suas medidas anatômicas relevantes para a montagem do fantoma, estas que são definidas na
Tabela 2. A Fig. 1 sintetiza o processo computacional descrito. Uma interface gráfica coleta
os dados biométricos do paciente que são transferidos para o preprocessador que compõe as
equações matemáticas do fantoma analítico. O preprocessador cria o programa básico
executável no código MCNP5. Outra etapa consiste da introdução do modelo de vóxel no
fantoma básico personalizado. O volume de interesse de cálculo, uma matrix de vóxel
tridimensional representativa do paciente, é então incorporado no modelo personalizado.
Tabela 2 – medidas antropométricas relevantes para montagem do fantoma
BX – braço
CRS – crânio superior
BY – braço
CRI – crânio inferior
BZ – braço
PSX - pescoço
TX – tronco
PSY – pescoço
TY – tronco
PSZ – pescoço
TZ – tronco
OX – ombro
AZ – abdômem
OY – ombro
PLZ – pelve
OZ – ombro
PRP – circunferência coxa
PUX – pulso
PRZ – perna comp.
PUY – pulso
CX – cabeça
CAP – circunferência tornozelo
CY – cabeça
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.
3. RESULTADOS
Sistema
computacional
Figura 1 – Geração do modelo analítico computacional
O resultado é um fantoma composto com informações analíticas (equações analíticas) e com
uma malha digitalizada (modelo voxel) mantendo fidedigna representação anatômica e
morfológica personalizada do paciente. A Figura 2 ilustra um exemplo de incorporação de um
modelo de vóxel de cabeça e pescoço na estrutura do fantoma analítico.
Figura 2 – região de interesse,
digitalizada por modelo de
vóxel, inserida no modelo
analítico.
Para exemplificar melhor abaixo, há dois exemplos onde, a partir de medidas antropométricas
de dois modelos reais obteve-se o fantoma analítico para cada um deles. A Tabela 3 e a Fig. 3
referem-se a um adulto do sexo feminino de 26 anos. A Tabela 4 e a Fig. 4 refere-se a uma
criança do sexo masculino de 7 anos.
Tabela 3 – Dados anatômicos de um adulto do sexo feminino e de 26 anos
CX – 14
CY – 20
CRS – 12
CRI – 7
PX – 14
PY – 15
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.
PZ – 12
OX – 61
OY – 20
OZ – 8
TX – 39.2
TY – 20
TZ – 40
AZ – 10
PLZ – 15
BX – 10
BZ – 51.1
PUX – 1
PUY – 1.96
PRP – 59.69
CAP – 12.56
PRZ – 75
Figure 3 – Fantoma analítico gerado computacionalmente para radiodosimetria a partir
dos dados anatômicos mostrados na Tabela 3
Tabela 4 – Dados anatômicos de uma criança do sexo masculino e de 7 anos
CX – 14
CY – 20
CRS – 7
CRI – 12
PX – 14
PY – 14
PZ – 4
OX – 34
OY – 18
OZ – 8
TX – 22
TY – 18
TZ – 17
AZ – 10
PLZ – 13
BX – 6
BZ – 40
PUX – 5
PUY – 3
PRP – 34.5
CAP – 18.84
PRZ – 56
Figure 4 – Fantoma analítico gerado computacionalmente para radiodosimetria a partir
dos dados anatômicos mostrados na Tabela 4
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.
3. CONCLUSÃO
Utilizando medidas anatômicas humanas relevantes, foi gerado o fantoma computacional
com peso e volume equivalente, a ser avaliado pelo código MCNP. Este modelo de fantoma ,
no estágio analítico, delimita o contorno do corpo humano. •Com intuito de obter dados
anatômicos precisos do tumor e dos órgãos adjacentes, é incorporado ao fantoma nas regiões
de interesse, um modelo digitalizado em volumes de voxels e gerado através de imagens de
tomografia computadorizada ou ressonância magnéticas do paciente. Assim, o modelo misto
possibilitará um alto nível de personalização tendo como conseqüência uma melhora da
radiodosimetria por simulação computacional de tratamentos em câncer, especialmente
pediátrico Este projeto deve ser incorporado a um sistema para planejamento de tratamentos
radioterápicos que trará uma interface para inserção das medidas necessárias à definição dos
coeficientes para personalização do fantoma e uma interface para criação e inserção do
modelo de voxels. Com a personalização oferecida por este fantoma espera-se a melhoria da
radiodosimetria por simulação computacional de tratamentos oncológicos.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem especialmente os suportes da FAPEMIG-950/01 e a FUNDEPinfraestrutura, que de forma indireta contribuíram para esta pesquisa. Os autores agradecem a
Reitoria/UFMG pela concessão de uma bolsa de iniciação cientifica para o Sr. Paulo da Mata.
REFERENCIAS
1. Purdy, J.A. (1997), Three-Dimensional Physics and Treatment Planning. Em: Perez, C.A.
e Brady, L.W.
2. Kijewski, P. Three-Dimensional Treatment Planning. (1994), Em: Mauch, P.M. e Loeffler,
J.S. Radiation.
3. “NRI – Núcleo de Radiações Ionizantes.(2004)” WEB. http://nri.nuclear.ufmg.br
4. Oncology: Technology and Biology. 1.ed. W.B. Sauders Company. P10–33, 2000.
5. Principles and Practice of Radiation Oncology. 3.ed. Philadelphia: Lippincott-Raven
Publishers. P.343 – 367.
6. ICRU-46, 1992, Photon, Electron, Proton and Neutron Interaction Data for Body Tissues.
Report 46, International Commission on Radiation Units and Measurements, Bethesda.
7. ICRU-63, 2000, Nuclear Data for Neutron and Proton Radiotherapy and for Radiation
Protection. Report 63, International Commission on Radiation Units and Measurements,
Bethesda.
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.