Anais do 14O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XIV ENCITA/2008. Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 20 a 23, 2008.

Reações Nucleares Induzidas por Prótons em Isótopos com Uso na Radioterapia

Maria Eugênia de Melo Rêgo Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – UNESP – campus Guaratinguetá – Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333 – Pedregulho CEP 12500-000 – Guaratinguetá – SP – Brasil Bolsista CNPq mariaeugenia@email.com Brett Vern Carlson Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA – Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias CEP 12228-900 – São José dos Campos – SP – Brasil. brett@ita.br Resumo. Aproximadamente 55.000 pessoas foram tratadas de alguns dos 50 tipos de tumores pela radioterapia de feixes de prótons. Mas, recentemente, percebeu-se a necessidade de um programa especialmente voltado à análise de dados de partículas pesadas carregadas com aplicações terapêuticas. Este trabalho, como parte do programa citado, tem como objetivo pesquisar, selecionar e comparar dados de trabalhos experimentais sobre reações nucleares induzidas por prótons em feixes de baixas energias. A metodologia de seleção foi baseada em dados fornecidos pelo software EXFOR, banco de dados da Agência Internacional de Energia Atômica, e o trabalho de N. Sobolevsky. Para a comparação, foram utilizados modelos teóricos do sistema EMPIRE-II. Inferimos a partir do mesmo que há certa dificuldade no tratamento de feixes de prótons devido ao fato dos modelos teóricos utilizados não serem tão eficazes para estudos de baixas energias quanto para o de altas. Palavras-chave: próton, radioterapia, nuclear, EXFOR, EMPIRE-II. 1. Introdução Uma das utilidades da radiação, em benefício do homem, é o tratamento de tecidos cancerosos conhecido como radioterapia. Este tipo de tratamento apresenta-se mais comumente com o uso do feixe de fótons e elétrons, com a crescente utilização do feixe de prótons. Em ambos os casos, há a deposição de energia no tecido-alvo principalmente pela ionização de átomos.

Conhecendo esse procedimento, o estudo aprofundado das reações nucleares, envolvendo as partículas incidentes nos feixes e os átomos constituintes dos tecidos orgânicos, se fez cada vez mais necessário. Para tanto, experimentos simuladores dessas interações têm sido explorados e modelos teóricos foram desenvolvidos para serem usados como parâmetros no uso dos dados adquiridos experimentalmente.

No presente trabalho, procura-se mostrar a participação dos autores no projeto desenvolvido em conjunto entre consultores de diversos países e a IAEA1, Agência Internacional de Energia Atômica, que vêm buscando uma maior eficácia nos tratamentos de câncer pelo uso da radiação. Esse projeto é chamado “Dados de interação de partículas carregadas pesadas para radioterapia” e teve início após uma reunião entre as partes acima citadas, realizada em janeiro de 2007, em Viena, onde se percebeu a necessidade de um programa de trabalho focado em avaliações de dados nucleares para aplicações terapêuticas de partículas carregadas (Capote et al. 2007).

A terapia com feixes de prótons é um dos alvos deste projeto. Desde que foi implantada, nos anos

cinqüenta nos EUA, tem-se tentado melhorar os resultados da mesma, seja utilizando-a apenas para casos de tumores em órgãos de regiões mais delicadas do corpo humano (Berry 1987, Boone et al. 1977, Kaplan 1979), seja controlando a dose efetiva de radiação aplicada, distribuindo-a (Boone et al. 1977, Parker 1977, Tapley 1977) ou fracionando-a (Kaplan 1979).

A iniciativa de avaliações de dados obtidos experimentalmente é apenas o começo de uma série de

trabalhos que serão realizados para melhorar o tratamento e baixar o custo do mesmo, já que o uso de aceleradores que produzam feixes em faixas de energia específicas para o mesmo encarece essa alternativa de terapia.

Apesar das dificuldades, aproximadamente 55,000 pessoas já foram tratadas com a próton-terapia dos mais diversos tipos de câncer. As instituições mais expressivas nesse ramo são: LLUMC2 (EUA), MGH3 (EUA), PSI4 (Suíça), ITEP5 (Rússia) e CPO6 (França).

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2. Tipos de terapia

A terapia com feixes de fótons e elétrons, apesar de amplamente utilizada atualmente como tratamento convencional de tumores cancerígenos, apresenta uma longa lista de efeitos colaterais e complicações. Uma das causas é o fato do feixe perder facilmente energia antes de atingir o ponto alvo, o que faz com que os oncologistas aumentem a intensidade do mesmo. Como uma das conseqüências tem-se grande quantidade de tecidos sadios irradiados e danificados desnecessariamente, que podem mais tarde desenvolver novos tumores.

A fim de diminuir ou eliminar esses efeitos, estudos foram realizados utilizando-se íons leves e pesados. Os resultados dos mesmos confirmaram que a terapia com esse tipo de partícula poderia ser uma alternativa menos nociva ao organismo em tratamento. Descobriu-se que a deposição de energia e a distribuição da dose aumentam com a profundidade de penetração do feixe quando utilizados íons, como hélio, argônio e neônio. A eficácia do tratamento é de 3-4 vezes maior que quando do uso da terapia convencional.

Além disso, a radioterapia que utiliza feixes de íons pesados também se mostrou bastante eficiente, quando comparada à com fótons e elétrons, nos seguintes aspectos:

I – Aumento da dose integral relativa aplicada no tumor em relação ao tecido sadio; II – Redução do volume tumoral; III – Otimização biológica.

Estes três itens representam alguns dos quais a terapia à radiação deve ser melhorada (Cassiano 2004). Mas estudos com feixes de neônio, apesar de mostrarem maior otimização biológica apresentaram também

efeitos em regiões próximas à entrada do feixe e adjacentes aos tumores. Além disso, o alto poder de penetração fez com que o feixe produzisse uma dose de radiação além da região a ser tratada.

Esses resultados sugeriram que o ideal seria utilizar feixes de íons leves, como carbono, e prótons para esse tipo de terapia.

A iniciativa para uma terapia com feixes de prótons se deu a partir da necessidade de maximizar a eficácia do tratamento de tumores à radiação e minimizar os danos causados nos tecidos, sadios, circunvizinhos aos mesmos.

Essa terapia foi proposta por Robert Wilson (Wilson 1946) em 1946, que na época verificou a já existência de aceleradores capazes de produzir feixes de prótons a níveis de energia suficientes para alcançarem tecidos internos do corpo humano. Ele notou também que o feixe de prótons apresentava uma trajetória aproximadamente retilínea, devido à massa daquelas partículas, e que a maior parte de sua energia era depositada no alcance máximo do feixe, numa faixa estreita, o pico de Bragg (Fig. 1). O uso dessa modalidade se deu em pacientes em 1954, em Berkeley7, Califórnia, EUA.

Figura 1. Gráfico de dose relativa de radiação deixada pelo feixe num tumor versus a profundidade de penetração do mesmo. Representação do pico de Bragg.

As características observadas para terapias com íons pesados proporcionam à próton-terapia uma eficiência de 8-

10 % maior que utilizado-se o tratamento convencional. Esse resultado é o que impulsiona pesquisadores a procurarem por uma alternativa mais acessível ao público, desenvolvendo aceleradores portáteis e de menor custo além de buscarem dados mais precisos para esse fim.

3. Os experimentos

Em 1919 quando Rutherford mostrou que átomos de nitrogênio emitiam átomos de hidrogênio, que ele chamou prótons, quando bombardeados com partículas alfa (Rutherford 1919), a ciência entrou em um novo patamar onde apenas a mecânica quântica poderia explicar satisfatoriamente os resultados obtidos experimentalmente.

Desde então, para isótopos radioativos é comum obter-se emissão de partículas por meio de decaimento natural. Mas o que surpreendeu foi a descoberta de que, para isótopos não radioativos, não eram necessárias energias

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absurdamente grandes para que uma reação nuclear ocorresse de forma induzida, em laboratório, como a mecânica clássica predizia.

Em 1932 utilizou-se alta voltagem para acelerar um feixe de prótons que produziria uma reação nuclear ao bombardear átomos de lítio.

A metodologia utilizando-se partículas aceleradas expandiu-se e, após o trabalho de Wilson houve uma maior demanda de experimentos utilizando-se feixe de prótons para simular a interação com átomos existentes nos tecidos humanos.

Para este trabalho, utilizamos experimentos realizados desde 1956 que estão disponíveis no banco de dados EXFOR8. Alguns dos aparatos e procedimentos mais comuns foram citados a seguir, detalhes dos mesmos não serão discutidos nesse trabalho.

3.1. Espalhamento de prótons por átomos de carbono As figuras seguintes mostram aparatos utilizados para medir o espalhamento elástico e inelástico de um feixe de prótons incidente sobre átomos de carbono 12. No aparato representado pelas figuras 2a e 2b (Strauch et al. 1956), o feixe passa pela fenda colimadora, fenda anti-espalhamento, monitor da câmara de ionização e atinge o alvo (Fig. 2a). Um telescópio consistindo de nove contadores, indicados pelas letras de A a I e posicionados na direção transversal ao feixe, detectava os prótons espalhados pelo alvo (Fig. 2b). Os contadores utilizavam pulsos alimentados por circuito de coincidência rápida.

(a) (b) Figura 2. Aparato experimental usado por Strauch et al. (1956) para medição de espalhamento de prótons. Em 2a tem- se o esquema geral e 2b apresenta o aspecto interno do telescópio utilizado. Já no aparato representado pelas figuras 3a e 3b (Dickens et al. 1963) o feixe, após se chocar com o alvo, atravessa uma região contendo vácuo ate chegar aos contadores, o que minimiza a perda de energia e o espalhamento múltiplo dos prótons. Ambos os experimentos usaram aceleradores de partículas; sendo que o primeiro usou um cíclotron, acelerador circular, e o segundo um linac, acelerador linear. A eficiência nas medidas depende inteiramente do processo de minimização da radiação de fundo, que pode confundir os contadores, e da precisão com que os pesquisadores calibram e conservam os equipamentos. Esses cuidados também foram levados em consideração no momento da seleção de trabalhos.

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(a) (b) Figura 3. Aparato experimental usado por Dickens et al. (1963) para medição de espalhamento de prótons. Em 3a tem-

se uma visão total e 3b mostra o equipamento que medirá o espalhamento do feixe pelo alvo. 4. Os dados

A seleção dos dados experimentais se deu principalmente pelo uso do EXFOR, um software cuja biblioteca contém dados de aproximadamente 17000 experimentos, realizados em diversos países (McLane 2000). Ele possui um aspecto prático e de fácil manipulação, possibilitando a obtenção de informações de diversas pesquisas em pouco tempo de forma bastante eficiente (Fig. 4).

Figura 4. Vista inicial do banco de dados EXFOR.

O EXFOR foi utilizado para selecionarmos os trabalhos cujas reações envolviam: prótons ou partículas alfa como

partículas incidentes, energia máxima de 200 MeV, e como alvo os átomos de carbono-12, nitrogênio-14, oxigênio-16, alumínio-27, silício-28 ou ferro-56.

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Este software, a partir das características selecionadas, fornece o nome, código de referência, autor e local da publicação, bem como um breve resumo e o número de dados disponíveis do experimento em questão.

Para nosso projeto foram escolhidos os trabalhos que apresentavam o maior número de dados e cujas reações apresentadas – prótons ou partículas alfa interagindo: elástica e inelasticamente, com espalhamento angular e/ou variação expressiva de energia, com nêutrons, entre outras – condiziam com o tipo de pesquisa que queremos desenvolver.

Artigos foram escolhidos para leitura e estudo dos métodos utilizados nos experimentos (Strauch et al. 1956, Dickens et al. 1963, Chen et al. 1993, Blanpied et al. 1982, Kelly et al. 1991).

Além dos resultados apresentados pelo EXFOR (Fig. 5) utilizou-se os dados do trabalho de N. Sobolevsky (Sobolevsky 2007) que apresenta valores experimentais de seções de choque da produção de radionuclídeos na interação de prótons e núcleos atômicos mais leves de elementos químicos constituintes do tecido biológico, na faixa de energia relevante para nosso estudo.

Figura 5. Modelo de resultado de busca do EXFOR.

Sobolevsky em seu trabalho apresenta dados validados que utilizaremos, juntamente com aqueles previamente selecionados a partir do EXFOR, já que no mesmo há uma seção exclusiva para reações induzidas por prótons (Fig. 6).

Posteriormente, iniciou-se o estudo e a utilização do sistema EMPIRE-II (Herman 2002), um código de modelos de reações nucleares (Fig. 7a). Nesse sistema, seleciona-se as características das reações bem como os modelos teóricos a serem utilizados nos cálculos. Uma enorme biblioteca de parâmetros de entrada cobre desde massas nucleares, parâmetros ópticos, deformações do estado fundamental e esquemas de decaimento e níveis discretos.

A manipulação do sistema EMPIRE-II tem como objetivo, a partir de seus diversos modelos teóricos embutidos, obter resultados (Fig. 7b) baseados em parâmetros de mecanismos de reações nucleares como: modelo de pré-equilíbrio Monte Carlo (HMS) (Blann 1996), multi-step direct (MSD) (Nishioka et al. 1986) e multi-step compound (MSC) (Tamura et al. 1982).

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Figura 6. Aspecto das tabelas de N. Sobolevsky.

Figura 7a. EMPIRE-II: vista inicial do sistema.

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Figura 7b. EMPIRE-II: aspecto dos resultados. 5. Resultados

Tabelas foram confeccionadas levando-se em consideração os dados de trabalhos mais completos. Nelas

indicamos a referência da publicação, o código de localização dos dados, a equação da reação, a faixa de energia total e dos níveis eletrônicos, faixa angular de espalhamento, e número total de dados do experimento. Essa etapa de seleção e organização dos dados foi crucial para facilitar a posterior validação dos dados.

As tabelas 1- 4 mostram o aspecto geral das 14 produzidas a partir dos dados retirados do EXFOR. Mas o mesmo sucesso ainda não foi alcançado na etapa de comparação e validação. Inicialmente teve-se muitos problemas com o EMPIRE-II já que o mesmo apresentou resultados diferentes dos

esperados. Além disso, a faixa de energia utilizada por ele era muito maior que a considerada neste trabalho. Assim houve a necessidade de modificar algumas das configurações e desabilitar funções para que o sistema correspondesse às nossas expectativas.

Após diversas tentativas e análises de resultados, pôde-se iniciar a comparação dos dados experimentais selecionados e dos teóricos apresentados pelo EMPIRE-II, mas ainda existe uma resistência por parte deste último quando se trata de cálculos a baixas energias.

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Tabela 1. Alvo: Alumínio-27 e Partícula Incidente: Próton.

Tabela 2. Alvo: Carbono-12 e Partícula Incidente: Próton.

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Tabela 3. Alvo: Oxigênio-16 e Partícula Incidente: Próton

Tabela 4. Alvo: Ferro-56 e Partícula Incidente: Próton

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6. Conclusões

Esse projeto possui uma proposta interessante e muito importante, tanto para a área de Física Nuclear quanto à de Medicina, que poderá se beneficiar com os resultados do mesmo.

Podemos inferir a partir dele que a validação de dados experimentais é realmente necessária, visto que ambos os ramos, prática e teoria, precisam de estruturas confiáveis para que se desenvolva um método eficiente a fim de prever e obter resultados esperados, em nosso caso o modelo de uma terapia médica que utiliza feixe de prótons e que apresente o mínimo ou nenhum dano a tecidos sadios.

Há muito que se melhorar em relação à configuração do EMPIRE-II para que este forneça resultados coerentes com este trabalho de forma a facilitar a comparação dos dados selecionados.

A validação de uma quantidade suficiente de dados que ajude ou melhore o trabalho de especialistas que utilizarão os mesmos para desenvolver modelos mais satisfatórios para a radioterapia com feixe de prótons é uma tarefa demorada mas real, além dos autores existem inúmeros pesquisadores realizando etapas parecidas atualmente e todos esperam obter sucesso. 7. Agradecimentos

Agradeço primeiramente ao CNPq por facilitar o crescimento intelectual e pessoal de estudantes de diversas áreas de pesquisa ao investir nos mesmos, favorecendo direta ou indiretamente o progresso deste país.

Agradeço ao meu orientador Brett Vern Carlson pela atenção e precioso tempo despendidos para meu maior aprendizado e aproveitamento deste trabalho e, principalmente, pela oportunidade. 8. Referências Berry, R. J., 1987, “Therapeutic Uses of X-rays”, Int. J. Radiat. Biol. 51, p. 873. Blann, M., 1996, “New precompound decay model”, Phys. Rev. C54, p. 1341. Blanpied, G. S., Barlett, M. L., Hoffmann, G. W., McGill, J. A., 1982, “Scattering of 0.8 GeV protons from 14N”, Phys.

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use of Protons and Heavy Ions in Radiotherapy: Historical Perspective”, Int. J. Radiat. Biol. Phys. 3, p. 65. Capote, R., Vatnisky, S., 2007, “Nuclear Data of Charged-Particle Interactions for Medical Therapy Applications”,

Summary Report of Consultants' Meeting, INDC(NDS)-0504, IAEA, Áustria. Cassiano, D. H., 2004, “Estudo de Interações Nucleares de Feixes de Prótons Aplicados em Radioterapia”, tese de

mestrado, IRD, Brasil. Chen, X. Y., Taddeucci, T. N., McClelland, J. B., 1993, “Polarization transfer in quasifree (p�,n�) reactions at 495

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12”, Phys. Rev. 129, p. 743. Herman, M., 2002, “EMPIRE-II Statistical Model Code for Nuclear Reaction Calculations: Version 2.17 Millesimo”,

IAEA, Áustria. Kaplan, H. S., 1979, “Historic Milestones in Radiobiology and Radiation Therapy” Semin. Oncol. 6, p. 479. Kelly, J. J., Feldman, A. E., Flanders, B. S, Seifert, H., 1991, “Effective interaction for 16O(p, p’) at Ep=318 MeV”,

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reactions: The multistep compound process”, Ann. Phys. 172, p. 67. Parker, R. G., 1977, “Particle Radiation Therapy: Current Status and Future Potencial”, Cancer 39, p. 802. Rutherford, E. 1919, “Collision of Alpha Particles with Light Atoms”, Phil. Mag. 37, p. 581. Sobolevsky, N., 2007, “Cross Sections of Radionuclide Production in Nuclear Reactions in Biological Tissue”, INDC

(NDS)-0504, IAEA, Áustria. Strauch, K., Titus, F., 1956, “Direct Excitation of Nuclear Energy States in Carbon by 96-Mev Protons”, Phys. Rev.

103, p. 200. Tamura, T., Udagawa, T., Lenske, H., 1982, “Multistep direct reaction analysis of continuum spectra in reactions

induced by light ions”, Phys. Rev. C26, p. 379. Tapley, N. Duv., 1977, “High-Energy Photon and Electron Beam”, Cancer 39, p. 788. Wilson, R. R., 1946, “Radiological Use of Fast Protons”, Radiology 47, p. 487. 1 International Atomic Energy Agency – IAEA – Viena, Áustria www.iaea.org

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2 Loma Linda University Medical Center – LLUMC – Loma Linda, Califórnia, EUA www.protons.com/index.html 3 Massachusetts General Hospital – MGH – Boston, Massachusetts, EUA

http://neurosurgery.mgh.harvard.edu/ProtonBeam/default.htm 4 Paul Scherrer Institute – PSI – Villigen PSI, Suíça www.psi.ch 5 Institute of Theoretical and Experimental Physics – ITEP – Moscou, Rússia www.protontherapy.itep.ru/index.html 6 Institut Curie - Centre de Protonthérapie d'Orsay – CPO – Orsay, França http://protontherapie.curie.info/ 7 Lawrence Berkeley National Laboratory – LBL – Berkeley, Califórnia, EUA www.lbl.gov

8 Experimental Nuclear Reaction Data – EXFOR www-nds.iaea.org/exfor/exfor00.htm