Desenvolvimento de um Software de Ajuste de Curvas Aplicado à Dosimetria Interna

Aluno: Vinicius de Carvalho
Orientador: Prof. Ms. Thiago R. Claro

dez/2016

Roteiro

• Introdução à Proteção Radiológica
  Exposição ocupacional, valor de limite de dose, programa de monitoração do IPEN
   
• Dosimetria Interna
  Modelo compartimental, cálculo de dose
   
• Ajuste de Curvas
  Interpolação polinomial, regressão linear, regressão log-linear
   
• Desenvolvimento do Software
  Planejamento, arquitetura e funcionamento
   
• Resultados, Conclusões e Trabalhos Futuros

Vinicius de Carvalho

[TGL] Dogg      |      Vini Dogg LL

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Todo bom nerd tem sua toalha!

Proteção Radiológica

Radionuclídeos

• Elementos Radioativos
  Césio-137, Iodo-131, Urânio-235, etc.
  
   
• Detrimento Biológico
  Probabilidade de incidência de câncer, danos hereditários e redução da expectativa de vida (OKUNO, E.; YOSHIMURA E., 2010)

Proteção Radiológica

• Exposição Ocupacional
  Manipulação de fontes não-seladas
   
• Programa de monitoração do IPEN
  Medidas in vivo e in vitro
   
• Valor limite de dose
  Limite anual de segurança (20 mSv por ano)

Problema

http://www.abc.net.au/news/2011-03-29/simpsons-nuke-episodes-no-laughing-matter/2638488

• Exposição Ocupacional
  Riscos à saúde!

Problema

Sherlock Holmes - Speed Painting
https://www.youtube.com/watch?v=hSS6MSFxtZY

• Procedimentos trabalhosos
  Trabalho de investigação
   
• Quando? Quanto?
  Estimativas de dose

Ideia

+

Ciência da Computação

Pergunta

Como a Ciência da Computação pode auxiliar nas estimativas de data e dose em caso de contaminação?

Objetivo

Desenvolvimento de um software que auxilia nas estimativas de data e dose!

Objetivos Específicos

• Implementação de métodos de ajuste de curva
  Aproximar medidas dos exames às curvas que representam os radionuclídeos
   
• Elaboração de um programa de computador
  Utiliza o ajuste de curvas para estimar data de ocorrência e dose incorporada

Dosimetria Interna

Modelo Compartimental

Esquema de compartimentos e taxas de transferência

Regiões do sistema respiratório humano, adaptado da ICRP 66 (CLARO, 2011)

Compartimentos representam órgãos ou regiões do corpo humano

Modelo Compartimental

Esquema de compartimentos e taxas de transferência

Modelo compartimental para o trato respiratório, adaptado da ICRP 78 (CLARO, 2011)

Representação Matemática

• Taxas de transferência constantes
  Bem conhecidas das publicações da ICRP
   
• Sistema de EDO
  Rosenbrock, Runge-Kutta, etc. (MINGATOS, 2015)

Dada a dose inicial, existem maneiras de calcular a retenção e eliminação de cada compartimento em função do tempo!

Representação Matemática

Curvas do modelo compartimental para o Iodo, geradas a partir de uma base de dados do IPEN

Problema

Dados os valores das medidas experimentais, como estimar a data e dose inicial da contaminação?

Ajuste de Curvas

Estratégia

• Curvas com comportamento conhecido
  Publicações da ICRP
   
• Valores das medidas experimentais
  Resultados dos exames dos indivíduos

Ajustar os pontos das medidas experimentais em uma curva que tem comportamento conhecido para estimar o valor e a data iniciais

Ajuste de Curvas Polinomial

 Permite a construção de um novo conjunto de dados a partir de um conjunto previamente conhecido.
(adaptado de: BURDEN; FAIRES, 2011) 

• Métodos clássicos
  Polinômio de Lagrage, de Newton, de Hermite e Splines Cúbicos
   
• Método dos Mínimos Quadrados
  Redução de erro diminuindo a soma dos quadrados das diferenças entre os valores observados e os valores estimados

Ajuste de Curvas Exponencial

• Curvas desejadas são curvas exponenciais
   
• Regressão log-linear
  Aplicação do Método dos Mínimos Quadrados utilizando o logaritmo da imagem dos pontos conhecidos

ln y = mx + c

Desenvolvimento do Software

Levantamento de Requisitos

• Estudo de viabilidade dos algoritmos
  Ajuste de curva
   
• Trabalhos relacionados
  Mestrado de Claro (2011)
   
• Prototipagem e alinhamento de expectativas
  Trabalho feito junto ao IPEN

Levantamento de Requisitos

• Programa para Windows
   
• Computador pessoal moderno
  250 GB de HDD, 4 GB de RAM, dual-core @ 2.3 Ghz (VALVE, 2016)
   
• Estimar data de ocorrência e dose aproximada
   
• Geração de relatórios

Levantamento de Dados

• Identificador do caso
   
• Radionuclídeo

• Medidas experimentais
  Dadas por data, medida (em Bq) e erro (em Bq)
   
• Fator de conversão de dose
  Medidas em Bq (decaimento de um núcleo por segundo) para doses em Sv (impacto da radiação sobre as células humanas)

• Isótopo (I-125, I-131)
• Tipo (F, M, S)
• AMAD (Diâmetro Aerodinâmico Mediano Aproximado)
• Respectiva modelagem compartimental

Arquitetura

• Aplicação local
  Conhecidas como "desktop" ou "standalone"
   
• Sistema de arquivos
  CSV com dados da modelagem compartimental dos radionuclídeos
   
• Interfaces de Entrada e Saída de dados
  Módulo de cálculo intermediando a troca de informações
   

Desenvolvimento

• Linguagem Java
  Popularidade e conhecimentos prévios
   
• Foco em usabilidade
  Familiaridade, utilização de boas práticas na construção de interfaces
  (NIELSEN, 1993; COOPER, 2004; KRUG, 2005; GOOGLE, 2015)

CSIDogg

Computer Software for Internal Dosimetry

(with graphic generation)

Interface de Entrada

Interface de Entrada

• Importação de arquivos
  Modelagem compartimental e fator de conversão de dose
   
• Parametrização de simulações
  Radionuclídeo, datas aproximadas e medidas experimentais
   
• Opção de salvar
  Utilizar parametrizações para outras ocasiões

Parametrização de Radionuclídeo

Parametrização de Datas

Parametrização de Medidas

Interface de Saída

Interface de Saída

• Soluções encontradas
  Limitações na escolha de soluções
   
• Resultados
  Data aproximada, incorporação estimada e dose estimada
   
• Visualização gráfica
   
• Relatório
  Sumarização dos resultados encontrados

Método do Emparelhamento

• Necessidade de soluções mais precisas
  Apenas o MMQ Log-Linear não dava os resultados buscados
   
• Interpretação diferente sobre os dados
  Medidas experimentais e modelagem compartimental são duas maneiras de ver a mesma informação!
   
• Utilização dos conhecimentos de especialistas
  Parametrização de datas

Método do Emparelhamento

Método do Emparelhamento

Método do Emparelhamento

Método do Emparelhamento

Método do Emparelhamento

Método do Emparelhamento

Método do Emparelhamento

Como calcular Alfa e Gama?

• Alfa
  Utilizando a(s) medida(s) com menor variação de erro
   
• Gama
  Utilizando as datas possíveis da parametrização

Resultados e Discussões

Simulações

• Desenvolvimento incremental
  Aprimoramento das técnicas à medida que as necessidades surgiam
   
• Precisão como fator determinante
  Faixa de erro aceitável de ±20%, segundo a ICRP
   
• Dados de incorporações
  Exercícios propostos pelo IPEN para validação dos cálculos
   
• Validação de dados junto ao IPEN

Simulação I

• Primeiros 10 dias do Iodo I-131
  Valores presentes nas publicações da ICRP
   
• Ajustes de curvas por polinômios
  Lagrange, Newton, Hermite, Splines Cúbicos e MMQ

Resultados

Simulação II

• Primeiros 20 dias do Iodo I-131
  
   
• Ajustes de curvas por polinômios

Dificuldades

Simulação III

• Primeiros 20 dias do Iodo I-131
  
   
• Ajustes de curvas por exponenciais
  Tentativa de melhorar os resultados obtidos anteriormente

Resultados

Simulação IV

• Exercício proposto pelo IPEN
  Dados de contaminações, com data, medida (em Bq) e erro (em Bq)
   
• Curvas do modelo compartimental
  
   
• Ajustes de curvas por exponenciais

Resultados =(

Simulação V

• Exercício proposto pelo IPEN
  Dados de contaminações, com data, medida (em Bq) e erro (em Bq)
   
• Curvas do modelo compartimental
  
   
• Ajustes de curvas pelo Método do Emparelhamento

Resultados!!!

...mas com suas devidas limitações

Conclusões e Trabalhos Futuros

Conclusões

• Objetivos atingidos...
  Proposta: auxiliar no cálculo de dose estimando data de ocorrência e valor da dose de uma determinada contaminação
   
• ... com precisão...
  Resultados das simulações indicam que as faixas de erro são aceitáveis
   
• e com foco no usuário!
  O software foi desenvolvido de forma que seja simples e intuitivo de utilizar, se valendo principalmente dos conhecimentos que um usuário de PC já possui para proporcionar uma experiência agradável.

Trabalhos Futuros

• Discernimento entre variações de um radionuclídeo
  Limitações no discernimento de isótopos e tipos
   
• Estimativa para doses crônicas
  O software atual só trabalha com doses agudas
   
• Estudo de outros métodos
  Ex: MMQ Ponderado, métodos estocásticos
   
• Integração com a base de dados do IPEN
  Centralização das informações

Contribuições da/para a Ciência da Computação

• Como fazer
  Algoritmos, estruturas de dados, sistemas operacionais
   
• O que fazer
  Matemática computacional, cálculo numérico
   
• Fazer direito
  Engenharia de software, programação orientada à objeto, paradigmas de linguagem de programação, análise e projeto de algoritmos, usabilidade e interface humano-computador
   
• Fazendo com autonomia
  Projetos integradores

Referências Bibliográficas

Referências Bibliográficas

• ICRP. Human Respiratory Tract Model for Radiological Protection. ICRP Publication 66, 1993.
   

• ICRP. Individual monitoring for internal exposure of workers - Replacement of ICRP Publication 54.
  ICRP Publication 78, 1997.
   

• SANCHEZ, G.; LOPEZ-FIDALGO, J.
  Mathematical techniques for solving analytically large compartmental systems.
  Health Physics Society, v. 2, n. 85, p. 184–193, 2003.

Referências Bibliográficas

• CLARO, T. R. Desenvolvimento de um código computacional de apoio ao cálculo de dose interna para radionuclídeos de interesse do IPEN, 2011.
   

• MINGATOS, D. dos S. Consistência e Sensibilidade de Modelos Compartimentais Aplicados à Dosimetria Interna, 2015.