Study of the response of plastic scintillators to low energy protons

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019There is real interest in installing in Portugal a proton therapy facility. Proton therapy has a the potential to spare healthy from unnecessary dose. This technology takes advantage of the existance of the Bragg Peak to be able to obtain a dose distribution closer to what is ideal. Nowadays, ionization chambers are considered the reference in dosimetry. Nevertheless, they offer a poor spatial resolution. Optical fibers, on the other hand, offer a good spatial resolution: with an optical fiber it is possible to achieve a spatial resolution of 2 mm, 1 mm, 0.5 mm or even 0.25 mm. When an optical fiber is irradiated with ionizing radiation it absorbs it and produces scintillation light that is then conducted inside the fiber to a photomultiplier that converts the light in an electrical current. This work’s objective was to develop an experimental setup to study how different optical fibers responds to proton beams, in particular to low energy proton beams. So, this work can be divided in four different stages: development of a software to simulate the interactions of a low energy proton beam with matter; the design and manufacture of a irradiation chamber to block the room light and to make sure that all th light that reachs the photomultiplier is scintillation light; rehabiliation of a X & XY positioning system to be able to place the optical fiber, and irradiation box, with precision; and finally to perform the measurements in the CTN’s Van de Graaff. During the measurements there was made a longitudinal measurement and also a lateral measurement of the beam’s profiles. The lateral measurements were performed to better understand the beam’s geometry and to obtain the points with a higher signal. The measurements of the longitudinal profile didn’t show the beam’s Bragg Peak. This happened for two reasons: first because the beam’s energy is too low and all of the proton’s energy is deposited in the optical fiber and second because the beam’s dispersion means that the number of protons that interact with the optical fiber takes a big fall when the distance is increased. The lateral measurements were able to confirm that the beam used had a gaussian geometry and enabled the calculation of the security distance from the opening of the irradiation box to the Van de Graff’s exit. Although this setup allowed for the measurements to be made. It still needs some improvements: the positioning system needs motors with a bigger torque and the irradiation box needs to be designed in a more user friendly way. The measurements should be done with a more stable proton accelerator.terapia com raios-X. Durante anos foi vista como aplicável apenas a casos de cancro na base do crânio, para tratamentos feitos em pediatria e para retinoblastomas. Hoje, sabe-se que esta tecnologia pode ser utilizada em todo o tipo de cancros em que a terapia com fotões é utilizada. Em Portugal existe um grande interesse em instalar uma infraestrutura que permita fazer terapia com protões para tratar pacientes oncológicos terapia com protões é uma tecnologia que aproveita a existência do pico de Bragg para poupar, até um certo ponto, os tecidos saudáveis a dose desnecessária. Para conseguir isto é necessário ser capaz de mapear com uma pequena resolução espacial o pico de Bragg para os feixes de protões utilizados. Enquanto que, hoje em dia, as câmaras de ionização são consideradas a referência em dosimetria, estas não oferecem uma pequena resolução espacial. As fibras ópticas, por outro lado, oferecem resoluções espaciais pequenas: 2 mm, 1 mm, 0,5 mm, 0,25 mm. Quando se utiliza uma fibra óptica cintilante para se medir o perfil de dose de um feixe, a fibra é irradiada produzindo luz de cintilação. A luz de cintilação é transmitida dentro da fibra óptica até um fotomultiplicador que converte a luz de cintilação numa corrente eléctrica. O fotomultiplicador é alimentado por uma fonte de alta tensão (o fotomultiplicador utilizado neste trabalho funciona entre os 600 V e os 800 V). A corrente gerada no fotomultiplicador é, finalmente, integrada num electrómetro. A intensidade da luz de cintilação é, em princípio, linear em relação à quantidade de dose absorvida pela fibra. Contudo, devido a fenómenos de quenching a linearidade é perdida quando a fibra interage com partículas com pouco energia, o que corresponde a um grande stopping power. Esta situação é de especial importância pois é na zona do pico de Bragg que os protões atingem os valores mais elevados de stopping power. O objectivo deste trabalho foi estudar as características de fibras ópticas cintilantes, em particular as suas respostas a feixes de protões de baixa energia. Para alcançar este objectivo o trabalho foi dividido em quatro partes distintas: desenvolvimento de um software de simulação da interacção de um feixe de protões com a matéria que permitisse a realização de simulações com energia de feixe até aos 15 MeV; uma vez que os protões utilizados têm pouca energia o que levou a que o ar fosse escolhido como fantoma, foi necessário o design e manufacturação de uma caixa de irradiação que permitisse a interacção do feixe de protões com a fibra óptica e que, ao mesmo tempo, impedisse que a luz ambiente interaja com a fibra óptica; montagem de uma mesa XY para conseguir uma colocação precisa da fibra óptica; realização das medições no acelerador de protões do Campus Tecnológico e Nuclear. Quando se pretende fazer leituras de dose com fibras ópticas não se pode permitir que a luz ambiente interaja com a fibra óptica pois isso altera os valores medidos pela electrónica. No caso das medições de dose com fotões é possível utilizar-se uma manga para impedir esta interacção. No caso de um feixe de protões tal não é possível pois isso altera a energia do feixe de protões antes de estes interagirem com a fibra óptica. A solução encontrada foi desenhar uma caixa de irradiação onde a fibra é introduzida durante as medições. Esta caixa de irradiação tem uma abertura por onde entra o feixe de protões, esta abertura é coberta com uma fina janela de prata ( a janela de prata utilizada nas medições tem 210 nm de espessura). A espessura das janelas de prata foi medida usando a perda de energia de partículas alfa no material da janela. A necessidade de ter uma colocação precisa da fibra óptica foi sentida deste o início, pois sem uma colocação precisa a boa resolução espacial oferecida pela fibra óptica seria inútil pois existiria uma grande incerteza no ponto do espaço em que a fibra é colocada. O sistema de posicionamente escolhido foi uma mesa XY. As simulações realizadas com o pMC foram feitas tendo em conta um volume de fibra semelhante não volume de fibra que é irradiado nas medições experimentais, uma janela de prata de espessura igual à espessura da janela utilizada nas medições experimentais e considerando que o fantoma é composto por ar. Este novo software foi comparado com o software de simulação FLUKA que também foi utilizado nas simulações utilizadas neste trabalho. Durante as medições foi feita uma medição do perfil longitudinal do feixe e foi também feita uma medição do perfil lateral do feixe. A leitura do perfil lateral do feixe foi feita para conseguir entender melhor a geometria do feixe e para conseguir obter os pontos com um maior sinal para se considerar esse ponto para o perfil longitudinal usando a leitura de sinal na fibra óptica colocada em várias posições. As simulações mostraram que existem algumas diferenças entre o pMC e o FLUKA. Estas diferenças podem ser explicadas com o facto de as bases de dados dos stopping power utilizadas no pMC e no FLUKA são diferentes e com o facto de o algoritmo de dispersão ter uma componente lateral menor no pMC. As medições laterais permitiram demonstrar que o feixe possui uma geometria gaussiana e permitiram calcular a distância de seguranc¸a (distância entre a caixa de irradiação e a saída do feixe, necessária para não perfurar a janela de prata) a que a caixa é colocada da saída do acelerador. As medições do perfil longitudinal do feixe não permitiram que o pico de Bragg do feixe fosse observado. Isto acontece por várias razões: primeiro porque a energia do feixe é pequena e dos protões não conseguem atravessar a fibra o que faz com que o que ´e lido seja a energia do protão em vez de a energia deixada pelo protão num determinado volume; segundo porque a dispersão do feixe faz com que o número de protões que interagem com a fibra óptica baixa com a distância e isso baixa bastante a quantidade de energia absorvida pela fibra óptica; a distância entre duas posições consecutivas da fibra é demasiado grande para se poder considerar que temos uma variação pequena de energia. As simulações em que uma geometria gaussiana e uma desalinhamento da fibra óptica em relação à saída do feixe é considerada são as que mais se aproximam das medições experimentais. Como conclusão podemos dizer que apesar de ter sido possível realizar uma série de medições com este dispositivo experimental ainda é necessário realizar alterações ao mesmo. A caixa de irradiação deve ser mais fácil de utilizar, principalmente no que toca à introdução das fibras. O sistema de posicionamento precisa de ser melhorado pois os motores não oferecem torque suficiente para fazer com que percorra toda a distância da calha. É necessário utilizar outro feixe de protões pois o Van de Graaff utilizado no CTN apresenta muitas oscilações na intensidade do feixe

Rationale, study design, and analysis plan of the Alveolar Recruitment for ARDS Trial (ART): Study protocol for a randomized controlled trial

Background: Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is associated with high in-hospital mortality. Alveolar recruitment followed by ventilation at optimal titrated PEEP may reduce ventilator-induced lung injury and improve oxygenation in patients with ARDS, but the effects on mortality and other clinical outcomes remain unknown. This article reports the rationale, study design, and analysis plan of the Alveolar Recruitment for ARDS Trial (ART). Methods/Design: ART is a pragmatic, multicenter, randomized (concealed), controlled trial, which aims to determine if maximum stepwise alveolar recruitment associated with PEEP titration is able to increase 28-day survival in patients with ARDS compared to conventional treatment (ARDSNet strategy). We will enroll adult patients with ARDS of less than 72 h duration. The intervention group will receive an alveolar recruitment maneuver, with stepwise increases of PEEP achieving 45 cmH(2)O and peak pressure of 60 cmH2O, followed by ventilation with optimal PEEP titrated according to the static compliance of the respiratory system. In the control group, mechanical ventilation will follow a conventional protocol (ARDSNet). In both groups, we will use controlled volume mode with low tidal volumes (4 to 6 mL/kg of predicted body weight) and targeting plateau pressure <= 30 cmH2O. The primary outcome is 28-day survival, and the secondary outcomes are: length of ICU stay; length of hospital stay; pneumothorax requiring chest tube during first 7 days; barotrauma during first 7 days; mechanical ventilation-free days from days 1 to 28; ICU, in-hospital, and 6-month survival. ART is an event-guided trial planned to last until 520 events (deaths within 28 days) are observed. These events allow detection of a hazard ratio of 0.75, with 90% power and two-tailed type I error of 5%. All analysis will follow the intention-to-treat principle. Discussion: If the ART strategy with maximum recruitment and PEEP titration improves 28-day survival, this will represent a notable advance to the care of ARDS patients. Conversely, if the ART strategy is similar or inferior to the current evidence-based strategy (ARDSNet), this should also change current practice as many institutions routinely employ recruitment maneuvers and set PEEP levels according to some titration method.Hospital do Coracao (HCor) as part of the Program 'Hospitais de Excelencia a Servico do SUS (PROADI-SUS)'Brazilian Ministry of Healt

NEOTROPICAL ALIEN MAMMALS: a data set of occurrence and abundance of alien mammals in the Neotropics

Biological invasion is one of the main threats to native biodiversity. For a species to become invasive, it must be voluntarily or involuntarily introduced by humans into a nonnative habitat. Mammals were among first taxa to be introduced worldwide for game, meat, and labor, yet the number of species introduced in the Neotropics remains unknown. In this data set, we make available occurrence and abundance data on mammal species that (1) transposed a geographical barrier and (2) were voluntarily or involuntarily introduced by humans into the Neotropics. Our data set is composed of 73,738 historical and current georeferenced records on alien mammal species of which around 96% correspond to occurrence data on 77 species belonging to eight orders and 26 families. Data cover 26 continental countries in the Neotropics, ranging from Mexico and its frontier regions (southern Florida and coastal-central Florida in the southeast United States) to Argentina, Paraguay, Chile, and Uruguay, and the 13 countries of Caribbean islands. Our data set also includes neotropical species (e.g., Callithrix sp., Myocastor coypus, Nasua nasua) considered alien in particular areas of Neotropics. The most numerous species in terms of records are from Bos sp. (n = 37,782), Sus scrofa (n = 6,730), and Canis familiaris (n = 10,084); 17 species were represented by only one record (e.g., Syncerus caffer, Cervus timorensis, Cervus unicolor, Canis latrans). Primates have the highest number of species in the data set (n = 20 species), partly because of uncertainties regarding taxonomic identification of the genera Callithrix, which includes the species Callithrix aurita, Callithrix flaviceps, Callithrix geoffroyi, Callithrix jacchus, Callithrix kuhlii, Callithrix penicillata, and their hybrids. This unique data set will be a valuable source of information on invasion risk assessments, biodiversity redistribution and conservation-related research. There are no copyright restrictions. Please cite this data paper when using the data in publications. We also request that researchers and teachers inform us on how they are using the data

Characterisation of microbial attack on archaeological bone

As part of an EU funded project to investigate the factors influencing bone preservation in the archaeological record, more than 250 bones from 41 archaeological sites in five countries spanning four climatic regions were studied for diagenetic alteration. Sites were selected to cover a range of environmental conditions and archaeological contexts. Microscopic and physical (mercury intrusion porosimetry) analyses of these bones revealed that the majority (68%) had suffered microbial attack. Furthermore, significant differences were found between animal and human bone in both the state of preservation and the type of microbial attack present. These differences in preservation might result from differences in early taphonomy of the bones. © 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved

Rationale, study design, and analysis plan of the Alveolar Recruitment for ARDS Trial (ART): Study protocol for a randomized controlled trial

Background: Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is associated with high in-hospital mortality. Alveolar recruitment followed by ventilation at optimal titrated PEEP may reduce ventilator-induced lung injury and improve oxygenation in patients with ARDS, but the effects on mortality and other clinical outcomes remain unknown. This article reports the rationale, study design, and analysis plan of the Alveolar Recruitment for ARDS Trial (ART). Methods/Design: ART is a pragmatic, multicenter, randomized (concealed), controlled trial, which aims to determine if maximum stepwise alveolar recruitment associated with PEEP titration is able to increase 28-day survival in patients with ARDS compared to conventional treatment (ARDSNet strategy). We will enroll adult patients with ARDS of less than 72 h duration. The intervention group will receive an alveolar recruitment maneuver, with stepwise increases of PEEP achieving 45 cmH(2)O and peak pressure of 60 cmH2O, followed by ventilation with optimal PEEP titrated according to the static compliance of the respiratory system. In the control group, mechanical ventilation will follow a conventional protocol (ARDSNet). In both groups, we will use controlled volume mode with low tidal volumes (4 to 6 mL/kg of predicted body weight) and targeting plateau pressure <= 30 cmH2O. The primary outcome is 28-day survival, and the secondary outcomes are: length of ICU stay; length of hospital stay; pneumothorax requiring chest tube during first 7 days; barotrauma during first 7 days; mechanical ventilation-free days from days 1 to 28; ICU, in-hospital, and 6-month survival. ART is an event-guided trial planned to last until 520 events (deaths within 28 days) are observed. These events allow detection of a hazard ratio of 0.75, with 90% power and two-tailed type I error of 5%. All analysis will follow the intention-to-treat principle. Discussion: If the ART strategy with maximum recruitment and PEEP titration improves 28-day survival, this will represent a notable advance to the care of ARDS patients. Conversely, if the ART strategy is similar or inferior to the current evidence-based strategy (ARDSNet), this should also change current practice as many institutions routinely employ recruitment maneuvers and set PEEP levels according to some titration method.13Hospital do Coracao (HCor) as part of the Program 'Hospitais de Excelencia a Servico do SUS (PROADI-SUS)'Brazilian Ministry of Healt