Fracciones de absorción específicas para fotones con la tiroides como órgano fuente del phantom computacional de referencia del ICRP/ICRU

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1 Revista Colombiana de Física, vol. 44, No. 2, 2012 Fracciones de absorción específicas para fotones con la tiroides como órgano fuente del phantom computacional de referencia del ICRP/ICRU Specific Absorbed Fractions for Photons with the Thyroid as Source Organ in the Reference Computational Phantom of the ICRP/ICRU J. C. Ocampo *a, J. A. Puerta a, J. Morales a a Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Recibido septiembre 20 de 2011; aceptado febrero 17 de Resumen En este trabajo, fueron calculadas las fracciones de absorción específicas (SAF), utilizando el phantom voxelizado del hombre de referencia con el código de Monte Carlo MCNPX. Las SAF fueron calculadas para el caso en el cual el órgano fuente es la tiroides y se consideraron 28 órganos blanco. Los resultados obtenidos presentan una baja incertidumbre estadística y fueron comparados con los cálculos basados en phantoms analíticos de Cristy y Eckerman. Los resultados muestran grandes diferencias y estas son debidas a la forma geométrica, distribución de los órganos y distancia entre órganos y tejidos, que resultan más realistas en los phantoms voxelizados. Palabras claves: dosimetría interna, método de Monte Carlo, simulador, SAF. Abstract In this paper, specific absorption fractions (SAF), using the phantom man voxel reference with the Monte Carlo code MCNPX, were calculated. The SAF were calculated for the case in wich the source organ is the thyrod, and 28 target organs were considered. The results have low statistical uncertainty and were compared with calculations based on analytical phantoms of Cristy and Eckerman. The results show large differences, these are due to the geometric shape, organ distribution, and distance between organs and tissues, which are more realistic in voxels phantoms. Keywords: internal dosimetry, Monte Carlo method, phantom, SAF. 1. Introducción La estimación del riesgo radiológico asociado a la incorporación de material radioactivo se determina a través del cálculo de dosis efectiva comprometida. En el proceso de cálculo de dosis están involucrados varios factores, siendo los más importantes el comportamiento biocinético del radionúclido en cuestión y la fracción de energía absorbida debido a la emisión de radiación por parte de un órgano fuente, en donde se encuentra retenido el radionúclido, hacia un órgano blanco, AF. La razón entre este factor y la masa del órgano blanco, es conocida como fracción específica absorbida, SAF de las siglas en inglés (specific absorbed fraction) [1]. La estimación de esta cantidad se realiza a través del método de Monte Carlo utilizando un simulador o phantom que representa el cuerpo humano. Desde 1960 se han venido desarrollando simuladores o phantoms matemáticos, denominados phantoms estilizados, que vienen siendo empleados para el cálculo de dosis [2]. En estos modelos cada órgano es descrito por una ecuación en el espacio, resultando figuras geométricas (esferas, elipsoides, cilindros, conos, troncos de cono, elipsoides, ). En estos modelos sólo se consideran tres tipos de tejido: esqueleto, pulmones y tejido blando (Fig. 1). * jcocampor@unal.edu.co

2 J. C. Ocampo et al.: Fracciones de absorción específicas para Muchos esfuerzos se han hecho en las dos últimas décadas para desarrollar los phantoms tomográficos o voxelizados, los cuales tienen su origen en la segmentación de imágenes de tomografía computarizada o resonancia magnética de un individuo, representando el cuerpo humano de una manera mucho más realista. Varios autores han construido phantoms voxelizados de hombres adultos, mujeres adultas, pediátricos, mujeres en gestación; estos han sido utilizados con propósitos dosimétricos, tanto para dosimetría interna como externa [3], [4]. Recientemente, la Comisión Internacional de Protección Radiológica, ICRP, en su publicación 110 de 2009, propone simuladores del hombre y mujer de referencia, denominados phantoms computacionales de referencia, los cuales son simuladores voxelizados y representan la forma física y anatómica promedio de individuos caucásicos. Estos simuladores, están basados en imágenes de personas reales y modificadas para ajustarlas a la información dada en la publicación 89 de ICRP sobre las referencias anatómicas y parámetros fisiológicos del hombre y la mujer de referencia. En este trabajo hemos utilizado el código de monte Carlo MCNPX para calcular las SAF para el caso en el cual el órgano fuente es la tiroides y se consideraron 28 órganos blanco, usando el simulador voxelizado de la publicación 110 del ICRP. Se eligió la tiroides como órgano fuente, dado que es un órgano de alta sensibilidad radiológica y presenta una alta tasa de retención de radionúclidos, especialmente el yodo, cuyos isótopos radioactivos como el 131 I y 125 I son muy utilizados en nuestro medio en medicina nuclear, radioinmunoanálisis y como marcadores moleculares. Los resultados fueron comparados con los cálculos basados en phantoms analíticos publicados por Cristy y Eckerman [5]. Número de columnas 254 Número de filas 127 Número de rebanadas 222 Número total de voxels 1,964,375 La anatomía de este phantom está basada en un modelo previo conocido como Golem, la altura y masa del cuerpo, como la de cada uno de los tejidos y órganos que conforman el phantom, fueron ajustadas para ser consistentes con los parámetros anatómicos del ICRP 89 [6]. La descripción completa de este phantom está disponible en la publicación 110 del ICRP [7]. A partir de la base de datos proporcionada por el ICRP 110 en la información suplementaria en línea, se cargó esta información en Matlab, con la cual se puede obtener la figura de cada uno de los órganos. La figura 1, obtenida en Matlab, muestra la representación tridimensional de este phantom, donde se puede apreciar el número de filas, columnas y rebanadas. 2. Simulador El phantom computacional masculino de referencia fue utilizado para el cálculo de las SAF s. Las características de este phantom están resumidas en la tabla 1. Tabla No.1 Principales características del phantom computacional masculino. Propiedad Hombre Estatura (m) 1.76 Peso (Kg) 73 Resolución plana (mm) Espesor de rebanadas (mm) 8 Volumen del voxel (mm 3 ) Fig.1 Comparación de los phantom de referencia masculino, a) modelo tipo MIRD-ORNL (MCNPX), b) modelo voxelizado (MATLAB). 3. Método de Monte Carlo 110

3 Rev. Col. Fís., 44, No. 2, El trasporte de radiación en el phantom fue simulado usando el método de Monte Carlo para seguir las historias individuales de los fotones originados en el órgano fuente, para esto se empleo el código MCNPX [8]. Las SAF fueron calculadas para la tiroides como órgano fuente y un total de 28 organos blancos de interés dosimétrico [9], [10]. Se utilizaron fotones monoenergéticos, en un rango de 0.01 Mev hasta 4 Mev. Estos fotones fueron generados isotrópica y homogéneamente desde la tiroides, asumiendo la tiroides, uniformemente contaminada, con un emisor de fotones. Se siguió la historia de los fotones hasta que fueran completamente absorbidos o salieran de la región de interés y se calculó la deposición de energía en los órganos de interés radiológico. En total se simularon 10 7 historias, para energías mayores a 100 KeV y 5x10 7 historias para energías menores o iguales a 50 KeV, además se implementaron técnicas de reducción de varianza a fin de obtener resultados con bajo error estadístico. Los resultados fueron comparados con los datos reportados usando phantoms estilizados. Fig.2 Comparación SAF(T tiroides), con T= colon y riñones. 4. Determinación de las SAF Una de las cantidades más importantes en dosimetría interna es la SAF, que representa la fracción de energía emitida por un órgano fuente que es absorbida por un órgano blanco por unidad de masa del órgano blanco, para una desintegración dada con una energía determinada, es decir: SAF AF( T S) i M (1) T Estos valores fueron obtenidos para fotones de energías de 0.01, 0.015, 0.02, , 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2 y 4 MeV. Fig.3 Comparación SAF(T tiroides), con T= pulmones e hígado. 5. Resultados y discusión Los resultados de las SAF, obtenidos en este trabajo, se encuentran en la Tabla 2. Fig.4 Comparación SAF(cerebro tiroides) y SAF(músculo tiroides). 111

4 J. C. Ocampo et al.: Fracciones de absorción específicas para Fig.5 Comparación SAF(tiroides tiroides). En este trabajo hemos calculado las fracciones de absorción específicas para fotones utilizando el phamtom de referencia del ICRP publicación 110, se estableció la tiroides como órgano fuente y un total de 28 órganos blanco para un total de 12 energías. Los resultado muestran significativas diferencias respecto a los datos de refencia calculados con phamtoms analíticos, estas diferencias se explican debido a la forma de los órganos y a las posiciones relativas de los mismos, las cuales son mucho más realistas en los phamtos voxelizados. Estas diferencias son más notorias para bajas energías. Los resultado acá mostrados harán parte de un estudio y análisis posterior, mucho más completo, dónde se consideren una gran variedad de órganos fuente/blanco y se puedan comparar con diferentes simuladores tanto estilizados como tomográficos. La Figura 2 muestra la comparación de SAF para los riñones como órgano blanco. Los valores calculados están muy por encima de los reportados por Cristy, se pueden apreciar diferencias del un orden de 160%. Para el caso en el que el órgano blanco es la pared del colon, las diferencias son aún mayores, alrededor de 330%. Comportamientos similares pueden apreciarse en la Figura 3 para el hígado como blanco. En este mismo gráfico se evidencia notoriamente la gran diferencia para los pulmones donde, a altas energías, es de un 200% y a bajas energías están en una escala de 4 a 5 órdenes de magnitud. Por el contrario en la Figura 4 se observa que los valores obtenidos están por debajo de los de referencia, especialmente para el cerebro las diferencias están entre 55 y 90%, mientras que para el músculo son del orden del 30%. De otro lado la Figura 6 muestra la autoabsorción de fotones en la tiroides, los valores son prácticamente similares a los obtenidos con el phantom estilizado, con diferencias que están siempre por debajo de un 11%. Todo lo anterior demuestra que los SAF son altamente dependientes de la geometría del simulador empleado, es decir, de la forma o morfología de los órganos en cuestión y de la separación o distancia entre ellos, resultados similares a estos han sido reportados por otros autores utilizando diferentes phantoms voxelizados [11], [12]. Es importante resaltar que el moldeamiento de los órganos en los phantom matemáticos son válidos para el cálculo de autoabsorción de fotones. En todos los casos, a pesar de las diferencias, se conserva la tendencia general de las curvas. 6. Conclusiones Referencias [1] ICRP Publication 30, Part 1, Annals of the ICRP (3/4). Limits for Intakes of Radionuclides by Workers; Pergamon Press Oxford, [2] W.S. Snyder et al, Estimates of absorbed fractions for monoenergetic photon sources uniformly distributed in various organs of a heterogeneous phantom. MIRD Pamphlet No. 5, Revised, New York, NY Society of Nuclear Medicine, [3] M. Zankl et al., Phys. Med. Biol., 47, 2002, p [4] S. Kinase, M. Zankl, J. Kuwabara, K. Sato, Noguchi, J. Funabiki, K. Saito, Radiat. Prot. Dosimetry, 105, 2003, pp [5] Cristy, M. and Eckerman, K. F. Specific fractions of energy at various ages from internal photon sources. Report ORNL/TM Vol Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee, [6] ICRP. ICRP Publication 89. Ann. ICRP, 32, [7] ICRP. ICRP Publication 110. Ann. ICRP 39, [8] Briesmeister, J. F. Ed. MCNP a general Monte Carlo N- particle transport code, version 4C. Los Alamos National Laboratory Report LA M Manual, Los Alamos, NM, [9] ICRP.The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP Publication 103. Ann. ICRP 37 (2-4), [10] K. F. Eckerman, W. E. Bolch, M. Zankl, N. Petoussi-Henss, Radiat. Prot. Dosimetry, 127, 2007, pp

5 Rev. Col. Fís., 44, No. 2, [11] P. Ferrari and G. Gualdrini, Radiat. Prot. Dosimetry, 127, 2007, pp [12] H Schlattl et al., Phys. Med. Biol., 52, 2007, pp Tabla No.2 SAF (Kg -1 ) para la tiroides como órgano fuente 113