Desenvolvimento de um dosímetro in vivo a MOSFET para aplicações em radioterapia

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2013.Na radioterapia (teleterapia), a diferença entre a dose prescrita e a dose recebida pelo paciente deve ser de no máximo 5%. Por esta razão o uso de dosímetros é essencial para atingir esta especificação e garantir o sucesso deste tipo de tratamento contra o câncer. Neste trabalho é apresentado um dosímetro in vivo a MOSFET para aplicações radioterápicas que possui um processo de leitura simples e preciso e que utiliza um sensor pequeno e de baixo custo. Além disso, este dosímetro não requer cabos ou baterias durante a irradiação o que é vantajoso, pois os metais presentes nestes componentes interagem com a radiação podendo assim alterar o valor da dose recebida pelo paciente. No dosímetro desenvolvido foi utilizado o circuito integrado (CI) CD4007UBM (Texas Instruments) como sensor de radiação. A sua escolha é justificada, pois seus transistores MOS possuem um óxido de porta com espessura de 120nm. Esta espessura é indicada para a aplicação desejada, pois tem uma sensibilidade à radiação ionizante próxima de 7 mV/Gy e permite a operação com tensões relativamente baixas, |VT| 1,6 V. Além disso, este CI é de muito baixo custo (R$1/CI) e possui dimensões reduzidas (área de 35mm2 e espessura inferior a 2 mm). Em um dosímetro a MOSFET a dose total é inferida pela variação da tensão de limiar (VT) devido à radiação ionizante, deste modo o circuito extrator de VT é um bloco fundamental deste tipo de dosímetro. No dosímetro desenvolvido foi utilizado um circuito extrator com corrente constante (CC) preciso, com baixo consumo e que determina diretamente o valor de VT. É importante mencionar que este extrator CC opera na inversão moderada (enquanto extratores CC convencionais são polarizados na inversão forte) e extrai um valor de VT que possui significado físico. Os experimentos com radiação ionizante foram realizados no Centro de Pesquisas Oncológicas (CEPON) em Florianópolis utilizando aceleradores lineares para gerar raios-X de 6 MV e 15 MV. Dentre os principais resultados do protótipo do dosímetro MOSFET CD4007 podemos citar: sensibilidade de 98,1 mV/Gy, dependência térmica de 0,5 cGy/°C, dependência angular de 13%, dependência energética de 1,3%, linearidade de 97,5% e atenuação ao feixe de apenas 0,14%.<br>Abstract : In radiotherapy (teletherapy), the maximum difference between the prescribed dose and the dose delivered to the patient must be ±5%. For this reason, the use of dosimeters is essential to meet this specification and, consequently, to ensure the success of this type of cancer treatment. In this work we present a new in vivo MOSFET dosimeter suitable for in vivo radiotherapy applications which combines a simple and accurate readout procedure with a small size, low-cost, and cable/battery-free sensor. The absence of cable and battery during irradiation is interesting because metals that are present in these components can deflect radiation and, consequently, change the dose received by the patient. The dosimeter that we developed uses the integrated circuit (IC) CD4007UBM (Texas Instruments) as the radiation sensor. This IC was chosen because its MOS transistors have a gate oxide thickness of 120 nm, which is indicated for the desired application since it has adequate radiation sensitivity (7 mV/Gy) and is able to operate at relatively low voltage (|VT~= 1,6 V). Moreover, this IC has a very low cost, US$0.5/IC, and small dimensions (35 mm2 and thickness lower than 2 mm). MOSFET dosimeters sense the total dose by the variation of the threshold voltage (VT ) due to ionizing radiation; for this reason, the VT -extractor circuit is a fundamental block in this type of dosimeter. In our dosimeter we used an accurate and lowpower constant-current (CC) VT -extractor circuit that directly determines the VT . It is worth to mention that this CC extractor operates in moderate inversion (conventional CC extractors are biased in strong inversion) and extracts a value of VT that has physical meaning. Experiments with ionizing radiation were carried out at the Centro de Pesquisas Oncol´ogicas (CEPON) in Florian´opolis/Santa Catarina using linear accelerators to generate X rays of 6 MV and 15 MV. Among the main results of the CD4007 MOSFET dosimeter we can highlight: radiation sensitivity 98.1 mV/Gy, thermal dependence 0.5 cGy/?C, angular dependence of 13%, energy dependence of 1.3%, linearity of 97.5%, and attenuation to the radiation beam of 0.14%