Ibercivis

Computação Voluntária

Motivação:

As radiações ionizantes utilizam-se de forma habitual na área Saúde, principalmente no diagnóstico por imagem (em Radiologia através da utilização de feixes de raios X, e na Medicina Nuclear através da utilização de radio-isótopos), e no tratamento de diversas patologias através do uso de feixes externos de fotões ou electrões (Radioterapia externa), fontes encapsuladas (Braquiterapia) ou radio-isótopos não encapsulados (Medicina Nuclear).

As técnicas de simulação numérica do transporte de partículas (fotões, electrões e positrões) através de técnicas Monte Carlo em meios complexos têm sido aplicadas nos últimos 50 anos a um vasto leque de situações (complementar medidas experimentais, caracterização de equipamentos, dosimetria a doentes, etc.). Nos últimos anos, esta metodologia tem vindo a sofrer um crescimento enorme na sua utilização e nas suas aplicações, estando o seu uso unicamente limitado ao tempo de CPU necessário para a obtenção de resultados em modelos complexos.

Na imagem: Modelo de um doente e geração de uma imagem radiográfica virtual utilizando técnicas de simulação Monte Carlo.

As técnicas de simulação Monte Carlo

A descrição do transporte de partículas usando técnicas de Monte Carlo baseia-se na caracterização do transporte das partículas por distribuições de probabilidade que descrevem, por um lado, o comprimento que uma partícula percorrer entre duas interacções em cada material, e por outro lado, os ângulos de dispersão e balanço energético que esta sofre ao interagir. Desta forma, e através da utilização de um gerador de números aleatórios realiza-se a simulação do transporte das partículas no seio de um material tomando, de forma sequencial e para partícula simulada, decisões sobre a) as condições iniciais da mesma (energia, direcção, etc), b) sobre o comprimento até à interacção seguinte, c) sobre o processo físico através do qual interage (Compton, fotoeléctrico, etc), e d) sobre o resultado da referida interacção (ângulo de dispersão, produção de partículas secundárias, etc). As técnicas de simulação Monte Carlo são por conseguinte de natureza estatística e requerem o seguimento de uma grande número de partículas para se alcançar a precisão requerida, o que implica tempo de computação consideráveis.

As vantagens associadas a esta metodologia são a capacidade de obter resultados com a precisão espacial e temporal requeridas, assim como a obtenção de resultados para múltiplos parâmetros físicos de forma simultânea. Tudo isto faz desta técnica seja uma poderosa ferramenta, sendo por isso frequentemente considerada como a técnica standard para a obtenção de resultados em muitas aplicações biomédicas.

Na imagem: Evolução temporal da energia depositada por um feixe fino de fotões num manequim de dimensões semi-infinitas.

Simulação do transporte no teu computador

Na Ibercivis, cada trabalho do projecto Sanidad que se envia para os computadores dos voluntários executa a simulação do transporte de partículas em determinadas condições ambientais (materiais com que interage, geometrias dos materiais, ... ).

A simulação detalhada nestas condições, complementada com medições experimentais, permite-nos melhorar as técnicas diagnósticas, a qualidade dos tratamentos e a protecção dos doentes e profissionais de Saúde expostos às radiações ionizantes.

Graças a estas simulações esperamos obter resultados em condições ambientais que sem o vosso apoio seriam proibitivas em tempos de execução e cuja análise nos permitirá obter informação muito valiosa.

Na imagem: Visualização de um tratamento de cancro da próstata através da utilização de 112 sementes radioactivas de Iodo 125.

O código de simulação Penelope

PENELOPE, acrónimo do inglês "PENetration and Energy LOss of Positrons and Electrons" é um programa genérico para simulações Monte Carlo que descreve o transporte de fotões, electrões e positrões em qualquer material para o intervalo de energia entre 50 eV e 1 GeV. PENELOPE é desenvolvido pela Universid de Barcelona e é distribuído através da Agência de Energia Nuclear (http://www.nea.fr).