Desde o desenvolvimento do primeiro equipamento de Tomografia Computadorizada (TC) no começo dos anos 1970, essa modalidade de diagnóstico por imagem passou por diversas melhorias. Produção de imagens de alta qualidade e exclusivamente digitais sem a superposição de estruturas anatômicas, exames com a duração de até cinco segundos e a capacidade de detectar patologias importantes sem a necessidade de cirurgias exploratórias são algumas das grandes vantagens obtidas quando essa técnica é utilizada. Como consequência, o papel dessa modalidade diagnóstica tem crescido amplamente ao redor do mundo. Nos Estados Unidos, por exemplo, 2,2 milhões de exames de TC foram realizados em 1980, apenas 10 anos após sua implementação. Esse número cresceu para 78,7 milhões no ano de 2015. Como resultado, a dose de radiação absorvida por pacientes devido ao uso dessa técnica tem se tornado uma preocupação entre radiologistas, pesquisadores e fabricantes, levando ao desenvolvimento de diferentes metodologias para estima-la. Câmaras de ionização, dosimetria termoluminescente (TL) e, mais recentemente, dosimetria luminescente opticamente estimulada (OSL), por exemplo, têm sido amplamente aplicados para se estimar dose em órgãos in vivo, em cadáveres e em objetos simuladores (phantoms). Outra abordagem extensivamente utilizada é a computacional, baseada em simulações Monte Carlo, que pode ser utilizada na comparação com resultados experimentais. Nesse trabalho, uma abordagem experimental utilizando TLDs e OSLDs em objetos simuladores adulto e pediátrico foi utilizada. Diversas análises foram realizadas com o objetivo de estabelecer o melhor caminho para conseguir os principais resultados alcançados e a metodologia desenvolvida foi eficiente para a finalidade proposta. As características dos OSLDs foram analisadas para verificar sua aplicabilidade no estudo de doses provenientes de procedimentos de TC. As respostas dos dosímetros demonstraram homogeneidade, linearidade com o kerma no ar incidente, reprodutibilidade, possibilidade de reutilização e dependência energética. Esses dosímetros foram utilizados em objetos simuladores adulto e pediátrico para o estudo de doses provenientes de protocolos clínicos de TC selecionados após uma análise de banco de dados de pacientes coletados do Instituto de Radiologia da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo. As doses em órgãos medidas com os dosímetros foram comparadas com simulações Monte Carlo. Para órgãos contidos na região de exame, as diferenças entre doses medidas e simuladas estão no intervalo de ±20%. Esses resultados demonstraram, ainda, que o alinhamento e posicionamento incorretos do paciente antes do exame podem ocasionar um aumento maior do que 100% na dose de um órgão. / Since the development of the first Computed Tomography (CT) equipment in the early 1970s, this diagnostic imaging modality has gone through several improvements. Exclusively digital and high quality images production without superposition of anatomical structures, examinations as fast as five seconds, and the capability of diagnosing important pathologies with no need of exploratory surgeries are some of the great advantages when using this technique. As a consequence, the role of this diagnostic procedure has been widely increasing worldwide. In the US, for instance, 2.2 million CT exams were performed in 1980, only 10 years after its implementation. This number increased to 78.7 million in 2015. As a result, absorbed dose by patients due to this technique has become a concern among radiologists, researchers and manufacturers, leading to the development of different methodologies to evaluate it. Ionization chambers, thermoluminescence (TL) and, more recently, optically stimulated luminescence (OSL) dosimetry, for instance, have been widely applied in order to estimate in vivo organ doses, in post-mortem subjects and in phantoms. Another approach that has been extensively used are the Monte Carlo simulations, which can be applied in comparison with experimental results. An experimental approach to evaluate organ doses in pediatric and adult anthropomorphic phantoms by using TLDs and OSLDs was employed in the present study. Several analyses were performed in order to stablish the best way to achieve the main results in this investigation and the methodology proved to be efficient. The characteristics of the OSLDs were analyzed to verify their applicability for evaluating doses from CT procedures. The characterization included homogeneity, linearity with the incident air kerma, reproducibility, reusability and an energy-dependent response to distinct effective energies evaluation. These dosimeters were applied along with TLDs in an adult and a pediatric anthropomorphic phantoms to evaluate organ doses due to clinical CT protocols. These protocols were selected after an analysis of patient data collected from the Institute of Radiology of the School of Medicine of the University of São Paulo (Instituto de Radiologia da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo). Organ doses measured with dosimeters were compared with Monte Carlo simulations. Differences between measured and simulated absorbed organ doses were within ±20%. Moreover, these results showed that a misalignment and incorrect positioning of the patient in the couch can increase an organ dose by more than 100%.

Apresentaremos nesta tese três novos tipos de dosímetros de radiação, projetados para medir radiação X, na faixa de diagnóstico: o dosímetro de radiação fotoacústico pulsado, o dosímetro de radiação piroelétrico e o dosímetro de radiação piroelétrico pulsado. Estudamos também o dosimetro de radiação fotoacústico com o objetivo de compará-lo com os novos dosímetros desenvolvidos. Propomos uma metodologia para calibração de um dosímetro fotoacústico que prescinde da calibração de sua resposta em um campo conhecido de radiação ionizante. Apresentaremos um modelo teórico para explicar os resultados obtidos com o dosímetro de radiação piroelétrico pulsado. Os resultados encontrados mostram que os dosímetros desenvolvidos são do tipo calorimétrico, sendo a resposta deles linear com a taxa de fluência de energia da radiação X. / In this thesis we present three new types of radiation dosimeters, designed to measure X-rays in its diagnostic region: the pulsed photo acoustical radiation dosimeter, the pyroeletric radiation dosimeter and the pulsed pyroelectric radiation dosimeter. We also study the photo acoustical radiation dosimeter with the scope of to compare its characteristics with the characteristics of the new developed dosimeters. We propose a methodology for calibration of a photo acoustical dosimeter which doesn´t require the calibration of its response in a known field of ionizing radiation. We present a theoretical model to explain the results produced by the pulsed pyroelectric radiation dosimeter. The obtained results show that the developed dosimeters are of calorimetric type, being linear its response with the X-ray energy fluency rate.

A hidroxiapatita e o esmalte dental são, na atualidade, alguns dos materiais mais pesquisados pela técnica de espectroscopia por Ressonância Paramagnética Eletrônica ? RPE. O esmalte dental, que possui cerca de 97% de sua massa constituída por cristais de hidroxiapatita, se apresenta como o tecido humano preferencial para dosimetria de radiação com o uso desta técnica, principalmente no caso de exposições acidentais da população em geral. A análise de hidroxiapatitas sintéticas tem por finalidade auxiliar o entendimento do espectro do esmalte dental bem como desenvolver um dosímetro de radiação com boa eficiência e eficácia. O espectrômetro em banda-K utiliza uma freqüência intermediária aos espectrômetros em banda-X e em banda-Q, possuindo uma melhor resolução que banda-X sem as dificuldades, devido à alta sensibilidade, do banda-Q. O presente trabalho tem como objetivo analisar espectros em banda-K de um bloco de esmalte irradiado e de hidroxiapatitas sintéticas, comparando com espectros de banda-Q e banda-X presentes na literatura, e ainda verificar a possibilidade de se fazer dosimetria de radiação com o uso deste aparelho. / Hydroxyapatite and tooth enamel are, nowadays, some of materials mostly investigated by the spectroscopic technique of Electron Paramagnetic Resonance ? EPR. Tooth enamel, that have about of 97% of its mass constituted by hydroxyapatite crystals, appears itself as the preferential human tissue for radiation dosimetry using EPR, mainly in case of accidental expositions by ordinary personnel. The analyses of synthetic hydroxyapatites have as the main goal to help the understanding of tooth enamel?s spectrum seeking the developing of a radiation dosimeter with good efficiency and accuracy. The K-band EPR spectrometer uses an intermediate frequency between the spectrometers in X-band and Q-band, possessing a better resolution than the X-band without presenting the Q-band?s difficulties. In this preliminary work the EPR spectra of a small block tooth enamel and synthetic hydroxyapatites irradiated were analyzed in K-band, comparing the results with X- and Q-band with published results, the possibility of performing radiation dosimetry at K-band was verified.

A Radioterapia de lesões cerebrais próximas a estruturas críticas necessitam de uma alta precisão na localização e na dose. O rigor na liberação da dose deve ser acompanhado por um preciso controle da qualidade nos aparelhos que envolvam a prática. O comissionamento do sistema de planejamento consiste em averiguar e confirmar os cálculos realizados pelo sistema. Porém, mesmo com todo controle da qualidade no comissionamento, existem vários aspectos que podem influenciar na administração da dose no volume alvo, o que exige a necessidade de se fazer uma avaliação final, no ato do tratamento, in vivo. O objetivo deste trabalho é desenvolver uma técnica de dosimetria in vivo como parte de um programa de controle da qualidade em radioterapia estereotáxica. Na técnica de dosimetria in vivo, utilizaram-se segmentos de filme radiocrômico, com dimensões de 1x1 cm2, acoplados na área externa ao colimador formado por micro-lâminas, Moduleaf. Estes filmes foram inseridos na região central do feixe. Os filmes foram irradiados e calibrados para obtenção dos fatores campos, na configuração da técnica. Com estes dados foi elaborado um programa computacional, o qual calcula a densidade relativa que um filme deve adquirir quando submetido a uma exposição nesta configuração. Como a técnica de dosimetria in vivo usa os dados do TPS, validaram-se alguns parâmetros do comissionamento do TPS. Complementando o estudo da dosimetria in vivo foram avaliados cinco planos não co-planares, sendo o primeiro com 15 campos e os outros com 25 campos. Antes de iniciar o procedimento o segmento de filme era acoplado ao aparelho e após a execução do tratamento a densidade ótica era avaliada e comparada com a calculada pelo programa desenvolvido. No comissionamento, todas as dosimetrias relativas apresentaram diferenças percentuais menores que 2%, quando comparados os resultados medidos com os calculados pelo sistema de planejamento. No desenvolvimento da técnica de dosimetria in vivo, a diferença percentual média da verificação dosimétrica, no momento da irradiação, comparado com a calculada pela planilha foi de 1,5%, enquanto que a dosimetria absoluta aplicada ao controle da qualidade convencional foi aprovada com diferença percentual média de 2,5% e a função gama média encontrada foi de 97,9% dos pontos aprovados com critério de aceitação %=2% e D=2 mm. Logo, todos os dados estão em concordância com os limites estabelecidos pelo TRS-430. Desta forma, conclui-se que foi desenvolvida uma técnica de dosimetria in vivo como parte de um programa de controle da qualidade em radioterapia estereotáxica com filme radiocrômico, já que foram confirmados os parâmetros básicos do comissionamento do sistema de planejamento e a técnica foi validada com o controle de qualidade convencional nos cinco planos analisados. / Radiation therapy of brain lesions near critical structures requires a highly accurate location and dose. The accuracy in dose delivery should be accompanied by an accurate quality control in devices involving the practice. The commissioning of the planning system is to ascertain and confirm the calculations performed by the system, but even with all quality control in the commissioning, there are several aspects that may influence the dosing the target volume, which necessitates the need to make a final assessment at the time of treatment, in vivo. The objective of this work is to develop a technique for in vivo dosimetry as part of quality assurance in stereotactic radiotherapy. In vivo dosimetry technique, we used segments of film radiocrômico, with dimensions of 1x1 cm2, coupled to the external area formed by the micro-collimator blades, Moduleaf. These films were inserted in the central region of the beam. The films were irradiated and calibrated to obtain factors of fields in the configuration of the technique. With these data we designed a computer program which calculates the relative density of a film must acquire when subjected to an exposure in this setting. As the technique of in vivo dosimetry using data from the TPS, validated parameters are the commissioning of the TPS. Complementing the study of in vivo dosimetry were evaluated five non-coplanar plans, the first with 15 fields and the other with 25 fields. Before starting the procedure, the film segment was attached to the unit and after the treatment is the optical density was measured and compared with those calculated by the program developed. At commissioning, all presented on dosimetry percentage differences less than 2%, when comparing the measured results with those calculated by the planning system. In developing the technique of in vivo dosimetry, the mean percent difference dosimetry verification at the time of irradiation compared with the calculated by the sheet was 1.5%, while the absolute dosimetry applied to the conventional quality control has been approved as mean percent difference 2.5% and the gamma function mean was 97.9% of the points agreed with the acceptance criterion % = 2% and D = 2 mm. Therefore, all data are in agreement with the limits set by TRS-430. Thus, we conclude that we have developed a technique for in vivo dosimetry as part of a quality assurance in stereotactic radiotherapy radiocrômico film, since some parameters were confirmed to commissioning the planning system and the technique was validated with control quality standard in five plans analyzed.

O estudo dos efeitos da heterogeneidade de tecidos nas doses administradas em radioterapia tem sido alvo de diversos trabalhos. A maioria deles mostra medidas \"in vitro\" em fantomas homogêneos nos quais são introduzidos materiais que simulam a presença de ossos ou de cavidades de ar. No presente trabalho optou-se por um estudo \"in vivo\" para o qual utilizou-se como instrumento de medida a dosimetria termoluminescente, bastante apropriada por motivos bem conhecidos. Foram escolhidos oito pacientes com tumor na região pélvica, tratados com raios x do Acelerador Linear de 4 MeV do Instituto de Radioterapia Osvaldo Cruz. A relação entre as doses medidas na entrada e na saída do feixe quando comparada ao valor previsto para fantomas homogêneos, indica a influência da heterogeneidade na distribuição da dose. A análise das medidas efetuadas nos oito pacientes, mostrou que a dose administrada ao centro do tumor pode ser 8% menor do que aquela planejada sem levar-se em conta a referida heterogeneidade. / Several authors investigated the effect of the heterogeneity of tissue in the dose distribution in a radiation therapy. Practically all of them carried out \"in vitro\" measurements using a solid body immersed in a water phantom, in order to simulate the inhomogeneity, such as bone, air cavity, etc. In the present work, \"in vivo\" measurements were performed utilizing thermoluminescent dosimeters, whose appropriateness and convenience are well known. Eight patients at Instituto de Radioterapia Oswaldo Cruz were selected, that were under irradiation treatments in their pelvic region. The ratio between body entry radiation dose and the corresponding exit dose, when compared to the same ratio for a homogeneous phantom, gives the influence of the heterogeneity of the tissue the radiation crosses. The results found in those eight patients have shown that \"in vivo\" measurements present a ratio about 8% smaller than in homogenous phantom case.

Medidas de Termoluminescência (TL), Luminescência Opticamente Estimulada (LOE), EPR (Ressonância Paramagnética de Elétron) e RL (Radioluminescência) foram obtidas de amostras de óxido de alumínio e óxido de alumínio dopado com magnésio. As amostras foram calcinadas em três diferentes temperaturas (1100, 1350 e 1600°C) para observar a variação do comportamento das propriedades luminescentes. Ao final, constatou-se que a temperatura de calcinação é um parâmetro de grande importância para a produção de materiais dosimétricos, pois a amostra com melhores resultados LOE foi o material sem dopante tratada a 1600°C. Em trabalhos anteriores, a composição de óxido de alumínio dopado com magnésio havia apresentado nanoestruturas de aluminato de magnésio, observadas através de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), que influenciaram a sensibilidade do material à radiação. Amostras de aluminato de magnésio puro e dopado com terras raras foram obtidas na forma de pó e calcinadas a 1100, 1350 e 1600°C. Medidas de TL e LOE de amostras irradiadas com fonte de partículas foram analisadas e comparadas com resultados de EPR e Difração de Raios-X (DRX). Como resultado, foi concluído que, nas condições trabalhadas, somente o elemento gadolínio proporcionou aumento de emissão LOE e TL no espectro visível. DRX indicou a formação dos compostos Al5Er3O12 e Al5Yb3O12; gadolínio e európio também formaram estruturas secundárias que não puderam ser determinadas. A partir do óxido de alumínio em pó, foram produzidos alvos para deposição de filmes finos empregando um sistema de sputtering magnetron e lâminas de silício monocristalino (100) tipo P para substrato. Parâmetros de deposição e de tratamento térmico foram variados de modo a produzir amostras com diferentes características. Curvas de TL foram levantadas e analisadas com relação aos resultados de DRX. Imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) foram obtidas de algumas amostras para visualizar o estado dos filmes depositados após tratamentos térmicos de 500 e 1100°C. Resultados mostraram a formação de picos de difração de a-Al2O3 em algumas das amostras espessas. Medidas de TL de amostras expostas à radiação ambiente exibiram picos de emissão em posições que variaram de acordo com a composição e espessura do filme depositado. / Thermoluminecent (TL), Optically Stimulated Luminescence (OSL), EPR (Electron spin Resonance) and Radioluminescence (RL) measurements were obtained from aluminum oxide and magnesium doped aluminum oxide samples. The samples were calcinated at three different temperatures (1100, 1350 and 1600°C) in order to observe variation of luminescent properties. As results, it was found that the calcination temperature is of great importance in the production of dosimetric materials, since the undoped sample calcinated at 1600°C showed the highest sensibility. In early works, magnesium doped aluminum oxide samples exhibited the formation of nanostructured layer composed by magnesium aluminate, observed using Transmission Electron Microscopy (TEM), which induced an increase of the luminescent properties. Samples of undoped and rare-earths doped magnesium aluminate, calcinated at 1100, 1350 and 1600°C, were produced. TL and OSL measurements were obtained from irradiated aliquots, analyzed and compared to EPR and XRD results. Results showed that, under the parameters used in this work, only gadolinium doped samples exhibited increase in TL and OSL emissions. XRD indicated the formation of Al5Er3O12 and Al5Yb3O12 structures in doped samples; gadolinium and europium doped samples also showed new structures, which couldnt be identified. Powder aluminum oxide was used to produce deposition targets, which were employed in the deposition of thin films over P type monocrystalline silicon (100) wafers. Variations of deposition parameters and heat treatment induced the formation of thin films with different characteristics, observed by XRD and luminescent analysis (TL). XRD results indicated the occurrence of alpha-Al2O3 in some of the thick films. Samples exposed to natural radiation produced TL emission in the visible spectrum.

Sendo o método mais preciso para estimar a dose absorvida em radioterapia, o Método de Monte Carlo (MMC) tem sido amplamente utilizado no planejamento de tratamento radioterápico. No entanto, a sua eciência pode ser melhorada para aplicações clínicas de rotina. Nesta dissertação é apresentado o código CUBMC, um código de Monte Carlo que simula o transporte de fótons para cálculo de dose, desenvolvido na plataforma CUDA (Compute Unified Device Architecture). A simulação de eventos físicos é baseada no algoritmo presente no código PENELOPE, e as tabelas de seção de choque utilizadas são geradas pela rotina MATERIAL, também presente no código PENELOPE. Os fótons são transportados em objetos simuladores descritos por voxels. Existem duas abordagens distintas utilizadas para a simulação. A primeira delas obriga o fóton a realizar uma parada toda vez que cruza a fronteira de um voxel, a segunda e pelo Método de Woodcock, onde o fóton ignora a existência de fronteiras e é transportado em um meio homogêneo fictício. O código CUBMC tem como objetivo ser uma opção de código simulador que, ao utilizar a capacidade de processamento paralelo de unidades de processamento gráfico (GPU), apresente alto desempenho em máquinas compactas e de baixo custo, podendo assim ser aplicado em casos clínicos e incorporado a sistemas de planejamento de tratamento em radioterapia. / As the most accurate method to estimate absorbed dose in radiotherapy, Monte Carlo Method (MCM) has been widely used in radiotherapy treatment planning. Nevertheless, its efficiency can be improved for clinical routine applications. In this master thesis, the CUBMC code is presented, a GPU-based MC photon transport algorithm for dose calculation under the Compute Unified Device Architecture (CUDA) platform. The simulation of physical events is based on the algorithm used in PENELOPE, and the cross section table used is the one generated by the MATERIAL routine, also present in PENELOPE code. Photons are transported in voxel-based geometries with different compositions. There are two distinct approaches used for transport simulation. The first of them forces the photon to stop at every voxel frontier, the second one is the Woodcock method, where the photon ignores the existence of borders and travels in homogeneous fictitious medium. The CUBMC code aims to be an alternative for Monte Carlo simulator code that, by using the capability of parallel processing of graphics processing units (GPU), provides high performance simulations in low cost compact machines, and thus can be applied in clinical cases and incorporated in treatment planning systems for radiotherapy.

O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito dos tempos de aplicação 3, 4 e 5 minutos por ERA do ultrassom terapêutico (UST) na organização das fibras de colágeno em lesão do tendão do calcâneo de ratos. Foram utilizados quarenta ratos machos Wistar, dos quais 32 sofreram tenotomia total do tendão do calcâneo e foram divididos em 5 grupos: GC, sem tenotomia e tratamento; GT, com tenotomia e sem tratamento; UST3, UST4 e UST5 submetidos à tenotomia e tratados com UST nos tempos de 3, 4 e 5 minutos por área de radiação efetiva respectivamente. Os animais foram submetidos à primeira aplicação do UST foi 24 horas após a cirurgia de tenotomia. A irradiação ultrassônica foi aplicada com os seguintes parâmetros: 1 MHz, modo pulsado com 20% do ciclo de trabalho (2 ms de emissão / 8 ms de intervalo), frequência de 100 Hz, 0,5 W / cm² de intensidade e ERA de 0,5 cm². A aplicação foi realizada 1x/dia. Os animais foram sacrificados após a 10ª sessão de tratamento, no 12º dia pós-operatório. Os tendões foram retirados cirurgicamente para análise da organização das fibras colágenas através do método de birrefringência (retardo óptico - OR). As fibras colágenas mostraram melhor agregação e organização no grupo UST3, UST4 e UST5 quando comparado ao GT (p<0.05) e o UST5 apresentou melhor resposta na comparação intergrupos. Conclui-se que o UST, aplicado no tempo de 5 minutos por área de radiação efetiva, apresentou a melhor dose-resposta quanto à organização das fibras colágenas no reparo tecidual de tendões de ratos / The aim of this study was to evaluate the effect of application times 3, 4 and 5 minutes ERA of therapeutic ultrasound in the organization of the collagen fibers in rat calcaneal tendon injury. Forty male Wistar rats were used, of which 32 underwent complete tenotomy of the calcaneal tendon and were divided into 5 groups: GC without tenotomy and treatment; GT tenotomy with and without treatment; UST3, UST4 UST5 and submitted to tenotomy treated with therapeutic ultrasound at times 3, 4 and 5 minutes per effective radiating area respectively. The animals were submitted to the first application of therapy US tenotomy 24 hours after surgery. Ultrasonic irradiation was applied with the following parameters: 1 MHz, pulsed mode at 20% duty cycle (2ms transmission / 8 ms interval), frequency 100 Hz, 0.5 W / cm² intensity and ERA 0.5 cm². The application was performed 1x / day. The animals were sacrificed after the 10th treatment session, on the 12th postoperative day. The tendons were surgically removed for analysis of the organization of the collagen fibers through birefringence method (optical delay - OR). The collagen fibers showed better aggregation and organization in group UST3, UST4 and UST5 when compared to the GT (p <0.05) and UST5 showed better response in the intergroup comparison. We conclude that the UST, applied in time of 5 minutes for effective radiation area, presented the best dose-response as the organization of the collagen fibers in tissue repair of rat tendons

Tesis por compendio / [ES] La tesi presentada a aquest document, s'emmarca dins de l'àmbit de la física mèdica. Dins d'aquesta branca de la física, es desenvolupen eines computacionals per oferir millores en la planificació de tractaments que involucren radiació ionitzant. En aquestes planificacions, es calculen factors dosimètrics com la dosi total absorbida tant, a la regió d'interès del tractaments, objectiu del mateix, com a la resta de teixits o òrgans de risc propers a la zona objectiu. Per poder efectuar aquests càlculs, existeixen diferents tècniques, sent les simulacions basades en Monte Carlo les considerades com l'eina més precisa. Aquest tipus de simulacions, permeten modelitzar els dispositius mèdics que emeten el feix de tractament als pacients, de forma detallada. A més, les simulacions Monte Carlo, permeten descriure les fonts de radiació minuciosament i considerar el transport de les partícules involucrades en el problema a través de la geometria considerada. En els treballs que conformen aquesta tesi, s'han emprat diferents codis Monte Carlo, depenent del problema a dur a terme. S'ha emprat MCNP6 a diferents treballs per la capacitat, i facilitat, de modelar geometries complexes emprant mallats volumètriques, penEasy com a codi per validar algunes de les eines dissenyades i penRed, per les característiques especialitzades en física mèdica, com la lectura i processament automàtic de DICOM i les fonts de braquiteràpia, el que faciliten molt les simulacions en l'entorn mèdic. Degut a estos fets, i a que penRed, és de codi obert i no requereix llicència, com al cas del MCNP, s'ha decidit estendre les capacitats que manquen en este, per poder equiparar el seu ús a la resta de codis en els problemes abordats durant la realització de la tesi doctoral. Tots aquests treballs contribueixen al desenvolupament d'eines que, mitjançant la simulació Monte Carlo, permeten optimitzar els càlculs en radioteràpia. Més encara, les eines desenvolupades, tenen una aplicabilitat més general i poden emprar-se en altres camps o problemes, com, per exemple, diagnòstic basat en imatge mèdica. El primer dels treballs, cobreix la necessita del codi MCNP6 de ser capaç de llegir i escriure fitxers d'espai de fase en format estàndard de la IAEA, eina que ja tenen implementadas molts dels codis de simulació Monte Carlo. Per suplir la manca de MCNP6 d'aquesta capacitat, es desenvolupa en aquesta tesi un codi capaç de realitzar aquestes conversions entre format d'espai de fase intern de MCNP6 i formats IAEA i a l'inrevés. Al segon treball, s'empren simulacions Monte Carlo per tal de dissenyar un filtre que homogeinitze el feix d'electrons de 12 MeV a l'eixida d'un accelerador de radioteràpia intraoperàtoria. El treball proporciona una configuració de filtre, dissenyada amb simulació Monte Carlo i validada amb altre grup d'investigació independent. El tercer treball, es basa en oferir una millora als elevats temps de computació a l'hora de realitzar planificacions de radioteràpia amb simulacions Monte Carlo per a tractaments amb diferents irradiacions angulars. Amb aquesta eina es pretén agilitzar significativament el procés de càlcul de distribució de dosi en el maniquí o pacient, sense haver de realitzar la simulació a través de tots els components de l'accelerador. Finalment, arrel d'haver emprat geometries basades en malles en les simulacions realitzades amb MCNP6, s'ha vist la importància d'aquesta capacitat, especialment en simulacions en l'àmbit de la física mèdica. La definició de geometries per descriure el sistema, és una part fonamental de qualsevol simulació, independentment del codi que s'utilitza per a dur-la a terme. És per això que, el quart treball, es centra en el desenvolupament d'un mòdul per a simular sobre geometries mallades en penRed. / [CA] La tesis presentada en este documento se enmarca dentro del ámbito de la física médica. Dentro de esta rama de la física, se desarrollan herramientas computacionales para ofrecer mejoras en la planificación de tratamientos que involucran radiación ionizante. En estas planificaciones, se calculan factores dosimétricos como la dosis total absorbida tanto en la región de interés del tratamiento, objetivo del mismo, como en el resto de tejidos u órganos de riesgo cercanos a la zona objetivo. Para poder llevar a cabo estos cálculos, existen diferentes técnicas, siendo las simulaciones basadas en Monte Carlo consideradas como la herramienta más precisa. Este tipo de simulaciones permiten modelar los dispositivos médicos que emiten el haz de tratamiento a los pacientes de forma detallada. Además, las simulaciones Monte Carlo permiten describir las fuentes de radiación minuciosamente y considerar el transporte de las partículas involucradas en el problema a través de la geometría considerada. En los trabajos que conforman esta tesis, se han empleado diferentes códigos Monte Carlo, dependiendo del problema a abordar. Se ha utilizado MCNP6 en diferentes trabajos por su capacidad y facilidad para modelar geometrías complejas utilizando mallas volumétricas, penEasy como código para validar algunas de las herramientas diseñadas y penRed, por sus características especializadas en física médica, como la lectura y procesamiento automático de DICOM y las fuentes de braquiterapia, lo que facilita mucho las simulaciones en el entorno médico. Debido a estos hechos, y a que penRed es de código abierto y no requiere licencia, como es el caso de MCNP, se ha decidido ampliar las capacidades que faltan en este, para poder equiparar su uso al resto de códigos en los problemas abordados durante la realización de la tesis doctoral. Todos estos trabajos contribuyen al desarrollo de herramientas que, mediante la simulación Monte Carlo, permiten optimizar los cálculos en radioterapia. Además, las herramientas desarrolladas tienen una aplicabilidad más general y pueden emplearse en otros campos o problemas, como por ejemplo, el diagnóstico basado en imagen médica. El primero de los trabajos cubre la necesidad del código MCNP6 de ser capaz de leer y escribir archivos de espacio de fase en formato estándar de la IAEA, herramienta que ya tienen implementadas muchos de los códigos de simulación Monte Carlo. Para suplir la falta de MCNP6 de esta capacidad, se desarrolla en esta tesis un código capaz de realizar estas conversiones entre formato de espacio de fase interno de MCNP6 y formatos IAEA y viceversa. En el segundo trabajo, se emplean simulaciones Monte Carlo para diseñar un filtro que homogenice el haz de electrones de 12 MeV en la salida de un acelerador de radioterapia intraoperatoria. El trabajo proporciona una configuración de filtro, diseñada con simulación Monte Carlo y validada con otro grupo de investigación independiente. El tercer trabajo se basa en ofrecer una mejora a los elevados tiempos de computación al realizar planificaciones de radioterapia con simulaciones Monte Carlo para tratamientos con diferentes irradiaciones angulares. Con esta herramienta se pretende agilizar significativamente el proceso de cálculo de distribución de dosis en el maniquí o paciente, sin tener que realizar la simulación a través de todos los componentes del acelerador. Finalmente, a raíz de haber empleado geometrías basadas en mallas en las simulaciones realizadas con MCNP6, se ha visto la importancia de esta capacidad, especialmente en simulaciones en el ámbito de la física médica. La definición de geometrías para describir el sistema es una parte fundamental de cualquier simulación, independientemente del código que se utilice para llevarla a cabo. Es por ello que el cuarto trabajo se centra en el desarrollo de un módulo para simular sobre geometrías malladas en penRed. / [EN] The thesis presented in this document falls within the scope of medical physics. Within this branch of physics, computational tools are developed to offer improvements in the planning of treatments involving ionizing radiation. In these plans, dosimetric factors are calculated, such as the total absorbed dose both in the region of interest of the treatment, which is the treatment's objective, and in the surrounding tissues or organs at risk near the target area. To perform these calculations, different techniques exist, with Monte Carlo simulations considered the most accurate tool. These simulations allow modeling of medical devices emitting the treatment beam to patients in detail. Furthermore, Monte Carlo simulations enable a detailed description of radiation sources and consider the transport of particles involved in the problem through the considered geometry. Different Monte Carlo codes have been used in the works comprising this thesis, depending on the problem addressed. MCNP6 has been used in various works for its capacity and ease in modeling complex geometries using volumetric meshes, penEasy as a code to validate some of the designed tools, and penRed for its specialized features in medical physics, such as reading and automatic processing of DICOM and brachytherapy sources, greatly facilitating simulations in the medical environment. Due to these facts, and because penRed is open-source and does not require a license, unlike MCNP, it has been decided to expand its capabilities to match its use with other codes in the problems addressed during the completion of the doctoral thesis. All of these works contribute to the development of tools that, through Monte Carlo simulation, optimize calculations in radiotherapy. Additionally, the developed tools have broader applicability and can be used in other fields or problems, such as diagnosis based on medical imaging. The first of the works covers the need for the MCNP6 code to be able to read and write phase space files in the standard IAEA format, a tool that many Monte Carlo simulation codes already have implemented. To address the lack of this capability in MCNP6, a code capable of performing these conversions between the internal phase space format of MCNP6 and IAEA formats, and vice versa, is developed in this thesis. In the second work, Monte Carlo simulations are used to design a filter that homogenizes the 12 MeV electron beam at the output of an intraoperative radiotherapy accelerator. The work provides a filter configuration, designed with Monte Carlo simulation and validated with another independent research group. The third work aims to improve the high computation times when performing radiotherapy planning with Monte Carlo simulations for treatments with different angular irradiations. This tool aims to significantly speed up the process of dose distribution calculation in the phantom or patient, without having to simulate through all components of the accelerator. Finally, due to having employed mesh-based geometries in simulations conducted with MCNP6, the importance of this capability has been recognized, especially in simulations in the field of medical physics. The definition of geometries to describe the system is a fundamental part of any simulation, regardless of the code used to perform it. Therefore, the fourth work focuses on the development of a module to simulate on meshed geometries in penRed. / This study was supported by the program “Ayudas para la promoción de empleo joven e implantación de la Garantía Juvenil en I+D+i, Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica e Innovación 2017-2020” from the “Iniciativa de Empleo Juvenil” (IEJ) and the “Fondo Social Europeo” (FSE) We would like to acknowledge the Spanish “Ministerio de Ciencia e Innovación” (MCIN) grant PID2021-125096NB-I00 funded by MCIN/AEI/10.13039 and the “Generalitat Valenciana” (GVA) grant PROMETEO/2021/064. / Oliver Gil, S. (2024). Eines computacionals avançades per a planificació radioterapèutica mitjançat simulacions Monte Carlo [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203890 / Compendio

A dosimetria de pacientes associada à avaliação das condições de funcionamento dos equipamentos médicos e aos procedimentos empregados na realização dos exames, desempenha um papel fundamental no sistema de proteção radiológica das exposições médicas. Nesse sentido, foi realizado um levantamento em grande escala das doses recebidas pelos pacientes submetidos a exames radiológicos convencionais realizados em uma amostra representativa de estabelecimentos de saúde do estado de São Paulo. Nesse levantamento foi empregado um kit dosimétrico postal originalmente desenvolvido, que permitiu a determinação da dose de entrada na pele (DEP) através da técnica de dosimetria termoluminescente. Paralelamente foram realizadas visitas in-loco a uma sub-amostra de estabelecimentos, onde as condições de funcionamento dos equipamentos de raios X médicos e do sistema de imagem foram avaliadas empregando-se procedimentos e equipamentos já estabelecidos em protocolos de controle de qualidade. O estudo completou-se com a elaboração de um catálogo de espectros na faixa de energia do radiodiagnóstico, que, através de procedimento desenvolvido, permitiu inferir espectros equivalentes em equipamentos médicos. Na determinação dos espectros foi empregado um detector semicondutor de telureto de cádmio e zinco (CdZnTe), cujas curvas de eficiência e escape foram determinadas experimentalmente para realização do processo de correção dos espectros (stripping procedure). O processo de amostragem de estabelecimentos de saúde realizado neste estudo permitiu verificar a distribuição de equipamentos de diagnóstico por imagem e a freqüência de exames radiológicos no estado de São Paulo. A partir desses resultados foram escolhidos os exames de tórax, crânio (e seios da face) e coluna para avaliação de DEP, uma vez que os mesmos apresentam as maiores freqüências anuais de exames por 1.000 habitantes: 100, 46 e 29, respectivamente. Na técnica de amostragem dos estabelecimentos de saúde incluídos neste estudo foi empregado como critério de estratificação a quantidade anual de exames radiológicos associados ao município de localização do estabelecimento. Do total de 200 estabelecimentos sorteados, 50 participaram da primeira etapa e 38 da segunda. Um total de 83 salas de exames (ou equipamentos) e 868 pacientes foram incluídos, e um conjunto de 1415 valores de DEP foi determinado. O resultado da distribuição dos valores de DEP permitiu determinar os chamados níveis de referência, que, no caso de pacientes adultos, se mostraram bastante semelhantes aos encontrados em outros estudos internacionais. No caso de pacientes infantis, a situação é bem diferente, obtendo-se valores pelo menos 2 vezes superiores a outros recomendados internacionalmente para a radiografia infantil mais freqüente (tórax). Esse fato sugere que as práticas empregadas na realização dos exames devem ser revisadas e que recomendações específicas a esse grupo de pacientes, a partir de estudos dirigidos, sejam publicadas. Constatou-se também alguns casos de DEP elevada pelo uso desnecessário de radioscopia de localização. Os testes de desempenho dos equipamentos e a avaliação das imagens realizadas sugerem que há possibilidade de melhoria das condições de realização dos exames, sem perda de informação diagnóstica presente na imagem e com redução das doses. Alguns espectros de raios X determinados experimentalmente apresentaram divergência em relação a outros catálogos já estabelecidos, numa faixa específica de energia do espectro (entre 25 e 40 keV). Para a sua utilização em situações práticas há necessidade de algumas correções na curva de eficiência, o que não inviabiliza a metodologia e os procedimentos estabelecidos. De forma geral, os resultados encontrados neste estudo permitem traçar um panorama das exposições médicas em radiologia convencional no estado de São Paulo, contribuindo para o aperfeiçoamento de futuras pesquisas que sejam realizadas na área, ou mesmo, para a implementação de políticas públicas. / Patients dosimetry, associated with the assessment of the performance of the radiological equipment and of the series of procedures employed in the accomplishment of the examinations, plays fundamental role in the radiation protection system of medical exposures. Therefore, a large-scale survey of absorbed doses was carried out in health services localized in the state of São Paulo, including patients submitted to conventional radiological examinations. In this survey a postal dosimetric kit, originally developed, was employed. It allows the evaluation of the entrance surface dose (ESD) to patients with thermoluminescence dosimeters. Also a series visits to a sub-sample of services was carried out, giving rise to the in-loco evaluation of the performance of the medical x-ray equipment and of the image system, using procedures and equipments already established in protocols of quality control. The study is completed with the elaboration of a catalogue of x-ray spectra, which provides means to infer the spectra generated by medical x-ray equipments. Measurements of x-ray spectra were carried out with a cadmium zinc telluride detector (CdZnTe), and the stripping procedure was performed taking into account both the contributions of efficiency and x-ray escape fraction, experimentally determined in this work. The stratified sampling technique furnished important data on the distribution of equipments and the annual frequency of examinations performed in the state of São Paulo. From these results radiological examinations of the chest, skull and sinus, and spine were selected for the evaluation of ESD, as their annual frequencies are the highest observed: 100, 46 and 29 per thousand inhabitants, respectively. The number of x-ray examinations carried out annually in the cities of the state was employed as the stratification criterion to construct the sample. From a total of 200 health services sampled, 50 agreed to participate of the first stage, and 38 of the second. A total of 83 rooms (or x-ray equipments) and 868 patients was included, and a set of 1415 values of ESD was measured. Diagnostic reference levels were determined with the outcomes of the distribution of ESD. For adult patients, the reference levels achieved are very similar to others obtained in international surveys. However, as far as pediatric patients are concerned, the situation is very different: the values found in this survey are twice larger than the international recommendations to chest radiography of children. This points out that the practices need to be revised and that specific recommendations to this patient group, following specific surveys, should be provided. Also, a series of high ESD values due to unnecessary localizing radioscopy were detected among our data. The results of the equipment performance tests and of the evaluation of image quality suggest that it is possible to improve the conditions of the examinations and to reduce doses to patients, without impairment of the diagnostic information. Some of the experimentally determined x-ray spectra show a discrepancy, when compared to other catalogue spectra, in a particular energy range 25 to 40 keV. The practical application of them will require some corrections in the efficiency curve, but the established methodology and procedures remain legitimate. In an extensive approach, the results of this study supply a panorama of medical exposures in conventional radiology in the state of São Paulo, contributing with resources to future research in the field and also to governmental actions.