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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.43.2017.tde-26052017-084002
Document
Author
Full name
Carlos Eduardo Freitas
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2017
Supervisor
Committee
Yoshimura, Elisabeth Mateus (President)
Mangiarotti, Alessio
Rodrigues, Laura Natal
Title in Portuguese
Luminescência opticamente estimulada com aplicações em radioterapia: dependência da dose absorvida e da energia de fótons produzidos em aceleradores clínicos e Microtron - IFUSP
Keywords in Portuguese
Dosimetria luminescente
Física médica
Luminescência opticamente estimulada
Radioterapia
Abstract in Portuguese
Atualmente a utilização de fótons de raios X e gama na Medicina (radiodiagnóstico e radioterapia) gerou a necessidade do conhecimento da dose absorvida nos tecidos dos pacientes. Para isso, utiliza-se detectores com diversas funcionalidades a fim de conhecer a deposição de energia. Para ser possível a utilização destes materiais, é necessário caracterizá-los tanto quanto à resposta em função da dose absorvida, quanto à dependência com a energia. Neste trabalho foi estudada a dependência energética da resposta OSL dos dosímetros compostos por BeO e Al2O3 em feixes de raios X convencional com espectro largo, feixes de raios X de aceleradores clínicos e do acelerador Microtron do Instituto de Física da USP e fontes gama de Cs-137 e Co-60, em uma faixa de doses desde centenas de mGy até aproximadamente 2 Gy. Foram utilizadas em conjunto simulações em Monte Carlo com o código PENELOPE, que simula o transporte de fótons e elétrons na matéria, a fim de conhecer a deposição de energia nos materiais. Os espectros utilizados nas simulações foram validados através da comparação das características dos feixes tais como a deposição de dose com a profundidade, camada semirredutora, energia média e resolução espectral. Utilizando um sistema de varredura por câmara de ionização controlado remotamente, foi estudada a distribuição de doses no campo de irradiação para definir uma região de irradiação com dose uniforme para pode realizar a irradiação de um conjunto de dosímetros simultaneamente. Foram encontrados valores do fator de dependência energética experimental para os feixes mais energéticos (Co-60, Microtron 5 MeV e aceleradores clínicos de 6 e 15 MeV), com desvio menor que 3% para o Al2O3 e 5% para o BeO, indicando independência com a energia do feixe de irradiação. Já nos feixes de baixa energia, os fatores de dependência energética relativos à energia do Co-60 para o Al2O3 foram de 1,68 e 1,42, e, para o BeO, de 0,78 e 0,90 para os feixes W150 e W200 respectivamente. Estes valores indicam que, nesta faixa de energia, a resposta OSL depende mais fortemente da energia do feixe. As simulações em Monte Carlo feitas para os fatores de dependência energética se mostraram bem consistentes com os valores experimentais para o BeO em toda faixa de energia e para o Al2O3, excetuando-se os feixes de baixa energia, possivelmente pelo não completo conhecimento de todos os elementos constituintes do dosímetro empregado (fita de Luxel®). Quanto às curvas de emissão OSL para as diferentes energias de irradiação, foi observado que o sinal decai mais rápido quanto mais elevada é a energia média do feixe para o BeO. Para o Al2O3, o efeito foi mais sutil e oposto. Os estudos do feixe do Microtron mostraram que, desde que a corrente seja monitorada durante as irradiações para posterior correção da dose, é possível realizar estudos utilizando um feixe de fótons de Bremsstrahlung produzido com alvo externo e energias médias (simuladas e ainda não validadas experimentalmente) próximas às energias das fontes gama de Cs-137 e Co-60. Os resultados experimentais para as respostas OSL dos dois materiais foram compatíveis com as simulações.
Title in English
Optically stimulated luminescence with applications in radiotherapy: dependence of absorbed dose and photon energy produced on clinical accelerators and Microtron - IFUSP
Keywords in English
Luminescent dosimetry
Medical physics
Optically stimulated luminescence
Radiotherapy
Abstract in English
Nowadays the use of X and gamma-ray photons in Medicine (radiodiology and radiotherapy) has generated the necessity of knowing the absorbed dose to the tissues of patients. For this purpose, detectors with diverse functionalities are used to know the energy deposition. To make possible the use of these materials, it is necessary to characterize the dose response, as well as the energy dependence of the response. In this work the energy dependence of the OSL response of the BeO and Al2O3 dosimeters was studied for conventional X-ray beams with wide energy spectrum, X-ray beams from clinical accelerators and from the Microtron accelerator of the Institute of Physics (University of São Paulo), and for gamma sources of Cs-137 and Co-60, in a dose range from hundreds of mGy to about 2 Gy. Monte Carlo simulations were used with the PENELOPE code, which simulates the photons and electrons transport of in the matter, to know the energy deposition in the materials. The energy spectra used in simulations were validated by comparison with beam characteristics such as depth dose deposition, half-value layer, mean energy and spectral resolution. Using a remotely controlled ionization chamber scanning system, the dose distribution within the irradiation field was evaluated to define a uniform dose region for irradiation or a set of dosimeters simultaneously. Experimental energy dependence factor values were obtained for the high-energy beams (Co-60, Microtron 5 MeV, and clinical accelerators of 6 and 15 MeV), with a deviation of less than 3% for Al2O3 and 5% for BeO, indicating independence with the beam energy. For the low-energy X-ray beams, the energy dependence factors, relative to the Co-60 energy, for Al2O3 were 1.68 and 1.42, and, for BeO, 0.78 and 0.90 for W150 and W200 beams respectively. These values indicate that, in this energy range, the OSL response depends on beam energy. Monte Carlo simulations for the energy dependence factors were consistent with experimental values for the BeO in entire energy range and for the Al2O3, with the exception of low energy beams, possibly due to the incomplete knowledge of all the elements that constitute the Luxel®. As for the shape of OSL emission curves for the different irradiation energies, it was observed that the signal decays faster the higher is the average beam energy for BeO. For Al2O3, the effect was more subtle and opposite. The Microtron beam scanning has shown that, as long as the current is monitored during irradiation for further dose-rate correction, it is possible to carry out studies using a beam of Bremsstrahlung photons produced with external target and mean energies (simulated but still not validated experimentally) close to the energies of the Cs-137 and Co-60 sources. The experimental results for the OSL responses of both materials were compatible with simulations.
 
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Publishing Date
2017-05-26
 
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