Modelo para determinação de espessuras de barreiras protetoras

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  • INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGTICAS E NUCLEARESAutarquia associada Universidade de So Paulo

    MODELO PARA DETERMINAO DE ESPESSURAS

    DE BARREIRAS PROTETORAS EM SALAS PARA

    RADIOLOGIA DIAGNSTICA

    Paulo Roberto Costa

    Tese apresentada como parte dosrequisitos para obteno do grau deDoutor em Cincias na rea deTecnologia Nuclear-Aplicaes

    Orientadora:Dra. Linda V. E. Caldas

    So Paulo

    1999

  • 2

    INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGTICAS E NUCLEARESAutarquia associada Universidade de So Paulo

    MODELO PARA DETERMINAO DE ESPESSURAS

    DE BARREIRAS PROTETORAS EM SALAS PARA

    RADIOLOGIA DIAGNSTICA

    Paulo Roberto Costa

    Tese apresentada como parte dosrequisitos para obteno do grau deDoutor em Cincias na rea deTecnologia Nuclear-Aplicaes

    Orientadora:Dra. Linda V. E. Caldas

    So Paulo

    1999

  • 3

    O empenho de modelar a matria incoerente e

    vertiginosa de que se compem os sonhos o mais rduo que

    pode empreender um homem, ainda que penetre todos os

    enigmas da ordem superior e da inferior...

    As Runas CircularesJorge Luis Borges

    Dedico este trabalho

    aos meus pais, irmos e sobrinhos

    por terem compreendido e respeitado

    minha ausncia

    e

    Sol,

    por iluminar meus passos.

  • 4

    AGRADECIMENTOS

    Dra. Linda V. E. Caldas, pela orientao e apoio sempre presentes;

    Denise Y. Nersissian, pela amizade e pelo auxlio em etapas fundamentais destetrabalho;

    Ao Marco A. G. Pereira, pela presena marcante e por tantas vezes ter me ajudadoa enxergar o bvio;

    Tnia A. C. Furquim pelo companheirismo e por, mais uma vez, ter suprido comsua energia minha ausncia tantas vezes necessria;

    Aos colegas Silvio Herdade, Ricardo Terini e Marcia Carvalho pela presenamarcante durante vrias etapas deste trabalho;

    Ao Servus, pelo companheirismo em horas de harmonia e de conflito;

    Aos colegas Roberto C. Pitorri e Cintia L. Gomes pela amizade e pelo auxlio como fornecimento de informaes fundamentais execuo deste trabalho;

    Aos colegas Marcelo Medeiros e Renato Ros, pelo auxlio nas etapas de mediode parte deste trabalho;

    Telma Oshiro, pelo auxlio nas etapas iniciais de coleta de dados em campo;

    Aos colegas da Seo Tcnica de Aplicaes em Diagnstico por Imagens e doLaboratrio de Ensaios em Equipamentos Eletromdicos do IEE/USP

    Ao Sergio e Regina, pelo auxlio no desenho das plantas que compe estetrabalho;

    Diretoria do IEE/USP, pelo apoio durante os anos de desenvolvimento desteprograma de trabalho;

    Direo das clnicas radiolgicas que colaboraram com este trabalho permitindoa coleta de dados;

    Ao Sr. Paulo Hori, da Seiri, pelo fornecimento de materiais para o teste dametodologia desenvolvida no presente trabalho;

    Ao PADCT, pelo apoio financeiro parcial; e

    A todos que, direta ou indiretamente, colaboraram para a eladorao deste trabalho

  • 5

    MODELO PARA DETERMINAO DE

    ESPESSURAS DE BARREIRAS PROTETORAS EM

    SALAS PARA RADIOLOGIA DIAGNSTICA

    Paulo Roberto Costa

    RESUMO

    A metodologia proposta pelo NCRP 49 para a determinao de barreiras

    protetoras para salas radiolgicas foi revista no presente trabalho em face s novas

    tecnologias em equipamentos de uso em diagnstico por imagens. A idia central da

    investigao consistiu no desenvolvimento de um mtodo de clculo da espessura de

    barreira necessria atenuao adequada dos espectros primrio, espalhado e da radiao

    de fuga que atingem cada uma das barreiras estruturais em uma sala radiolgica. Esta

    metodologia foi combinada a novas informaes sobre as distribuies espectrais da

    radiao espalhada por simuladores de paciente de modo a viabilizar o clculo completo

    das distribuies de equivalente de dose ambiente existentes em salas radiolgicas. Foi

    tambm utilizado um modelo para a simulao computacional de espectros de raios X

    primrios, baseado em um modelo semi-emprico, e uma funo analtica que permite a

    determinao de curvas de atenuao de feixes de radiao policromticos. O produto do

    trabalho consitiu-se de um modelo que garante um tratamento mais realista e otimizado

    para o problema da determinao das espessuras de barreiras necessrias para a proteo de

    uma sala radiolgica.

  • 6

    MODEL FOR DETERMINATION OF

    PROTECTIVE SHIELDING THICKNESSES FOR

    DIAGNOSTIC RADIOLOGY ROOMS

    Paulo Roberto Costa

    ABSTRACT

    The method proposed by NCRP 49 standard to determine protective shieldings for

    X-ray rooms was reviewed in the present work, taking into account the new technologies

    in diagnostic imaging systems. The main object of the investigation was the development

    of an evaluation method for the thickness determination of a given material required to

    correct attenuation of primary, scattered and leakage radiation spectra which reach a

    structural barrier in a radiological room. This methodology was combined to new

    information regarding spectral distributions of radiation scattered by a phantom in order to

    allow the determination of ambient dose equivalents in X-ray rooms. A method for

    computer simulation of primary X-ray spectra, based in a semi-empirical model, and an

    analytical function which allows the evaluation of attenuation curves from policromatic

    radiation beams were also used. The product of this work consists of a model that provides

    an optimized treatment for the problem of determining shielding thicknesses of the barriers

    necessary for radiological room protection.

  • SUMRIO

    NDICE DE FIGURAS 8CAPTULO 1 -INTRODUO 11Captulo 2 - Princpios de Otimizao da Radioproteo em Radiologia Diagnstica 182.1. Otimizao da Radioproteo 182.2. Metodologia da Otimizao da Proteo Radiolgica 202.3. Otimizao no Auxlio Tomada de Deciso 242.4. A Prtica da Otimizao da Proteo Radiolgica 282.4.1. Pases Desenvolvidos 282.4.2. A Situao Nacional 29Captulo 3 - Formulaes Modernas para Clculos de Blindagens de Salas Radiolgicas. 323.1.1. Distribuio de Cargas de Trabalho 333.1.2. Fatores de Uso 343.1.3. Fatores de Ocupao 363.2. Barreiras Primrias 373.2.1. Metodologia do NCRP 49 373.2.2. Modelo de Archer aplicado ao clculo de barreiras primrias 413.2.3. Consideraes sobre os Materiais que Interceptam o Feixe 453.3. Barreiras Secundrias 493.3.1. A Metodologia do NCRP 49 493.3.2. Modelo de Archer Aplicado ao Clculo de Barreiras Secundrias 52Captulo 4 - Modelo Otimizado para o Clculo de Barreiras 594.1. Modelo para Gerao de Espectros de Raios X 604.1.1. O Espectro Contnuo (Bremsstrahlung) 604.1.2. Espectro Caracterstico 634.1.3. Aplicao do Modelo de TBC para Espectros de Mamografia 644.1.4. Modelo de TBC Generalizado 664.1.5. Comparaes dos Espectros Calculados com Medies 734.2. Modelo Otimizado para Atenuao por Barreiras Protetoras 794.2.1. Feixes Primrios de Radiao 794.2.2. Radiao Secundria 814.2.3. Clculo de uma Barreira Genrica 86Captulo 5 - Resultados Experimentais e Simulaes Computacionais 875.1. Levantamento de Cargas de Trabalho 875.2. Simulaes Computacionais 925.2.1. Programas desenvolvidos 925.2.2. Resultados das simulaes 935.3. Medies das Propriedades de Atenuao de Materiais 1085.3.1. Condies Experimentais 1095.3.2. Resultados Obtidos 1115.4. Aplicao do Modelo a Departamentos de Radiologia Hipotticos 114Captulo 6 - Discusso 122CAPTULO 7 -CONCLUSES 127ANEXO 1 EXTRATOS DA PORTARIA MINISTERIAL 453 128ANEXO 2 PLANILHAS UTILIZADAS PARA A AVALIAO DAS CARGAS DETRABALHO PELO MTODO II 133ANEXO 3 DIAGRAMAS DE BLOCOS DOS PROGRAMAS UTILIZADOS 136REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 139

  • ndice de Figuras

    Figura 2-1 - Curvas tpicas relacionando custo da proteo radiolgica dose coletiva em uma determinadapopulao. Neste grfico, a curva preta corresponde ao decrscimo do custo da proteo como aumento do comprometimento de dose coletiva; a curva vermelha prope uma relaolinearmente crescente entre o valor monetrio do detrimento e o comprometimento de dosecoletiva; a curva azul representa a soma das duas curvas anteriores. ______________________ 22

    Figura 2-2 Modelos de relao entre dose e efeito. Neste grfico, a curva preta representa a relao linearentre dose e efeito, tipicamente aceita para clculos de estimativas de danos biolgicos. Ascurvas vermelha e azul representam modelos alternativos, relacionando dose e efeitoquadraticamente ou numa composio linear-quadrtica, respectivamente. _________________ 23

    Figura 2-3 Representao esquemtica do procedimento de otimizao. A seqncia apresentada asseguraum julgamento sistemtico para a deciso sobre a adequao de uma dada soluo a umproblema de proteo radiolgica(27). _______________________________________________ 25

    Figura 2-4 Procedimento de otimizao aplicado ao projeto. A seqncia lgica identifica as etapas aserem seguidas durante o projeto de uma instalao, de modo a garantir que sua construoseja mais vantajosa que danosa(27). _________________________________________________ 26

    Figura 2-5 Procedimento de otimizao aplicado a operaes. A seqncia lgica identifica as etapas aserem seguidas durante a definio de procedimentos operacionais de uma instalao, demodo a garantir que suas execues sejam mais vantajosas que danosas(27). _________________ 27

    Figura 3-1 - Diagrama esquemtico com a disposio apresentada no NCRP 49 para o clculo debarreiras(9).____________________________________________________________________ 39

    Figura 3-2 - Curvas relacionando espessuras de barreiras primrias em milmetros de chumbo e diferentesvalores de WUT e distncias(16) ____________________________________________________ 43

    Figura 3-3 Fraes de espalhamento como funo da tenso aplicada ao tudo do ngulo de espalhamentosegundo o modelo polinomial sugerido por Simpkin e Dixon(47).___________________________ 54

    Figura 4-1 - Geometria do tubo de raios X, enfatizando o caminho percorrido pelos eltrons (x) at o localde produo da radiao e o caminho percorrido pelos raios X produzidos (d) at sairem doalvo. _________________________________________________________________________ 60

    Figura 4-2 Espectro de Bremsstrahlung de um feixe de 140 kVp gerado pelo modelo de TBC simulando umtubo de raios X com anodo composto por uma liga de 90% de tungstnio e 10% de rnio com17,5o de ngulo de inclinao, filtrado por 2 mm de Al(19). _______________________________ 61

    Figura 4-3 - Interpolao dos valores da constante de Thompson-Whiddington apresentados na ref. 50 pelafuno linear C(T) = 3,936 x 104 + 3,021 x 102 T, onde as constantes foram obtidas porregresso linear.________________________________________________________________ 64

    Figura 4-4 - Espectro completo, incluindo o Bremsstrahlung e as linhas caractersticas, de um feixe de 100kVp gerado pelo modelo de TBC(19) simulando um tubo de raios X com anodo de W/Re de 17,5o

    de ngulo, filtrado por 2 mm de Al. _________________________________________________ 60

    Figura 4-5 - Espectro completo, incluindo o Bremsstrahlung e as linhas caractersticas, de um feixe de 35kVp gerado pelo modelo de TBC(51) simulando um tubo de raios X com anodo de Mo de 13o dengulo, filtrado por 0,1 mm de Al. __________________________________________________ 65

    Figura 4-6 Ciclo de onda de um gerador monofsico com retificao de meia onda. A ondulaopercentual correspondente de 100% _______________________________________________ 67

    Figura 4-7 - Ciclo de onda de um gerador monofsico com retificao de onda completa. A ondulaopercentual correnpondente de 100%_______________________________________________ 68

    Figura 4-8 - Ciclo de onda de um gerador trifsico com retificao de seis pulsos. A ondulao percentualcorrenpondente de 13,4% _______________________________________________________ 68

    Figura 4-9 - Ciclo de onda de um gerador trifsico com retificao de doze pulsos. A ondulao percentualcorrenpondente de 3,41% _______________________________________________________ 69

    Figura 4-10 Comparao entre os resultados de kerma no ar a um metro do ponto focal normalizado pelomAs apresentados por Tucker e col.(19), Archer e col.(17) e os calculados pela frmulaapresentada em Wolbarst(56) e pelo modelo generalizado proposto para ondulaespercentuais de 0,83% , 3,41%, e 100 %. _____________________________________________ 74

    Figura 4-11 Resultados comparativos entre medies efetuadas utilizando um fotodiodo de Si operando temperatura ambiente(72) e uma simulao utilizando o modelo de TBC. As condies

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    experimentais esto apresentadas para 60 kVp na Tabela 4-7 e foram as mesmas utilizadas naexecuo da simulao computacional. ______________________________________________ 76

    Figura 4-12 Resultados comparativos entre medies efetuadas utilizando um fotodiodo de Si operando temperatura ambiente(72) e uma simulao utilizando o modelo de TBC. As condiesexperimentais esto apresentadas para 73 kVp na Tabela 4-7 e foram as mesmas utilizadas naexecuo da simulao computacional ______________________________________________ 76

    Figura 4-13 - Resultados comparativos entre medies efetuadas utilizando um detector de Ge(73) e umasimulao utilizando o modelo de TBC. As condies experimentais esto apresentadas para60 kVp na Tabela 4-8, correspondendo ao feixe IEC60 da referncia 74, e foram as mesmasutilizadas na execuo da simulao computacional____________________________________ 77

    Figura 4-14 - Resultados comparativos entre medies efetuadas utilizando um detector de Ge[73) e umasimulao utilizando o modelo de TBC. As condies experimentais esto apresentadas para80 kVp na Tabela 4-8, correspondendo ao feixe IEC80 da referncia 74, e foram as mesmasutilizadas na execuo da simulao computacional____________________________________ 77

    Figura 4-15 Resultados comparativos entre medies efetuadas utilizando um detector de Ge(73) e umasimulao utilizando o modelo de TBC. As condies experimentais esto apresentadas para100 kVp como IEC100 na Tabela 4-8, correspondendo ao feixe IEC100 da referncia 74, eforam as mesmas utilizadas na execuo da simulao computacional _____________________ 78

    Figura 4-16 - Resultados comparativos entre medies efetuadas utilizando um detector de Ge(73) e umasimulao utilizando o modelo de TBC. As condies experimentais esto apresentadas para100 kVp como L100 na Tabela 4-8, correspondendo ao feixe L100 da referncia 75, e foram asmesmas utilizadas na execuo da simulao computacional _____________________________ 78

    Figura 4-17 - Resultados comparativos entre medies efetuadas utilizando um detector de Ge(73) e umasimulao utilizando o modelo de TBC. As condies experimentais esto apresentadas para100 kVp como M100 na Tabela 4-8, correspondendo ao feixe M100 da referncia 75, e foramas mesmas utilizadas na execuo da simulao computacional___________________________ 79

    Figura 4-18 Fator de converso de kerma no ar (Kar), para equivalente de dose ambiente 10 mm deprofundicade (H*(10)), como funo da energia. Os valores foram obtidos das refs. 77.e ______ 81

    Figura 4-19 Espectros de radiao espalhada medidos por Fehrenbacher e col.(43) referentes a um feixeincidente de 100 kVp com ngulos de espalhamento de 10, 45, 90, 135.e 142 graus. O feixeprimrio foi espalhado por um objeto simulador (phantom) de gua com paredes de Perspex,com dimenses de 30x30x15 cm3.___________________________________________________ 82

    Figura 4-20 - Espectros de radiao espalhada medidos por Fehrenbacher e col.(43) referentes a feixesincidentes de 52, 60, 70, 80, 90, 100 e 110 kVp para um ngulo de espalhamento de 90...