Estudo comparativo de dosimetria computacional entre modelos homogêneos e um modelo voxel em mamografia: uma discussão de aplicações em testes de constância e cálculo de dose glandular em pacientes

OBJETIVO: Comparar dados de dosimetria e fluência de fótons entre diferentes modelos de mama, discutindo as aplicações em testes de constância e estudos dosimétricos aplicados à mamografia. MATERIAIS E MÉTODOS: Foram simulados diferentes modelos homogêneos e um modelo antropomórfico de mama tipo voxel, sendo contabilizadas: a dose total absorvida no modelo, a dose absorvida pelo tecido glandular/material equivalente, e a dose absorvida e a fluência de fótons em diferentes profundidades dos modelos. Uma câmara de ionização simulada coletou o kerma de entrada na pele. As combinações alvo-filtro estudadas foram Mo-30Mo e Mo-25Rh, para diferentes potenciais aceleradores de 26 kVp até 34 kVp. RESULTADOS: A dose glandular normalizada, comparada ao modelo voxel, resultou em diferenças entre -15% até -21% para RMI, -10% para PhantomMama e 10% para os modelos Barts e Keithley. A variação dos valores da camada semirredutora entre modelos foi geralmente inferior a 10% para todos os volumes sensíveis. CONCLUSÃO: Para avaliar a dose glandular normalizada e a dose glandular, em mamas médias, recomenda-se o modelo de Dance. Os modelos homogêneos devem ser utilizados para realizar testes de constância em dosimetria, mas eles não são indicados para estimar a dosimetria em pacientes reais

Sistema computacional para dosimetria de nêutrons e fótons baseado em métodos estocásticos aplicado a radioterapia e radiologia

OBJETIVO: Este artigo mostra um procedimento de conversão de imagens de tomografia computadorizada ou de ressonância magnética em modelo de voxels tridimensional para fim de dosimetria. Este modelo é uma representação personalizada do paciente que pode ser usado na simulação, via código MCNP (Monte Carlo N-Particle), de transporte de partículas nucleares, reproduzindo o processo estocástico de interação de partículas nucleares com os tecidos humanos. MATERIAIS E MÉTODOS: O sistema computacional desenvolvido, denominado SISCODES, é uma ferramenta para planejamento computacional tridimensional de tratamentos radioterápicos ou procedimentos radiológicos. Partindo de imagens tomográficas do paciente, o plano de tratamento é modelado e simulado. São então mostradas as doses absorvidas, por meio de curvas de isodoses superpostas ao modelo. O SISCODES acopla o modelo tridimensional ao código MCNP5, que simula o protocolo de exposição à radiação ionizante. RESULTADOS: O SISCODES vem sendo utilizado no grupo de pesquisa NRI/CNPq na criação de modelos de voxels antropomórficos e antropométricos que são acoplados ao código MCNP para modelar braquiterapias e teleterapias aplicadas a tumores em pulmões, pelve, coluna, cabeça, pescoço, e outros. Os módulos atualmente desenvolvidos no SISCODES são apresentados junto com casos exemplos de planejamento radioterápico. CONCLUSÃO: O SISCODES provê de maneira rápida a criação de modelos de voxels personalizados de qualquer paciente que podem ser usados em simulações por códigos estocásticos tipo MCNP. A combinação da simulação via MCNP com um modelo personalizado do paciente traz grandes melhorias na dosimetria de tratamentos radioterápicos.

Ferramenta computacional para avaliação de kerma no ar em aplicações de radioproteção em áreas de internação de pacientes: proposição de um método simples para avaliação experimental

OBJETIVO: Apresentar uma ferramenta de análise de dados que pode ser utilizada para proteção de pacientes e trabalhadores em áreas de uso de equipamentos móveis. MATERIAIS E MÉTODOS: Foi desenvolvida uma ferramenta, em planilha ativa Excel®, que utiliza medidas de exposição para gerar um banco de dados de fatores de forma e calcular o kerma no ar ao entorno de um leito. O banco de dados inicial foi coletado com três equipamentos móveis. Um espalhador não antropomórfico foi utilizado, sendo realizadas medidas de exposição em uma malha de (4,2 × 4,2) m², ao passo de 0,3 m. RESULTADOS: A ferramenta calcula o kerma no ar (associado à exposição de pacientes expostos e ao equivalente de dose ambiente) à radiação secundária. Para distâncias inferiores a 60,0 cm, valores acima do limite máximo de equivalente de dose ambiente definido para área livre (0,5 mSv/ano) foram verificados. Os dados coletados a 2,1 m foram sempre inferiores a 12% do referido limite. CONCLUSÃO: A ferramenta é capaz de auxiliar na proteção radiológica de pacientes e trabalhadores, quando associada à coleta de dados adequada, pois possibilita a determinação de áreas livres ao entorno de leitos em áreas onde equipamentos móveis geradores de radiação X são utilizados.

Estudo químico-computacional da reatividade de aziridinona e diaziridinona através de cálculos semi-empíricos

The results of semiempirical molecular orbital calculations performed on aziridinone and diaziridinone employing the MNDO, AM1, and PM3 molecular models are presented. The AM1 method, which best reproduces ground-state molecular properties, is used to calculate electronic parameters and the use of these parameters for the evaluation of reactivity is discussed.

Estudo da geometria da uréia por métodos ab initio e simulação computacional de líquidos

A study was carried out on the urea geometries using ab initio calculation and Monte Carlo computational simulation of liquids. The ab initio calculated results showed that urea has a non-planar conformation in the gas phase in which the hydrogen atoms are out of the plane formed by the heavy atoms. Free energies associated to the rotation of the amino groups of urea in water were obtained using the Monte Carlo method in which the thermodynamic perturbation theory is implemented. The magnitude of the free energy obtained from this simulation did not permit us to conclude that urea is non-planar in water.

Técnicas de análise do perfil de execução e otimização de programas em química computacional

In this paper we review the basic techniques of performance analysis within the UNIX environment that are relevant in computational chemistry, with particular emphasis on the execution profile using the gprof tool. Two case studies (in ab initio and molecular dynamics calculations) are presented in order to illustrate how execution profiling can be used to effectively identify bottlenecks and to guide source code optimization. Using these profiling and optimization techniques it was possible to obtain significant speedups (of up to 30%) in both cases.

Qual o sítio de reação? Um experimento computacional

A computational quantum chemistry experiment is described on the determination of the most reactive atom in a molecule for a reaction. The reaction studied was the S N2 of 4-(dimethylamino)pyridine and methyl iodide. Several indexes (HOMO coefficent, (c), charges, (q), nucleophilic softness, (s+), and Fukui index, (f+)) were employed to verify which correctly describe what nitrogen will react. The calculations were made by AM1 and HF/STO-3G methods. The correct reactivity order is only reproduced by s+ and f+. The lack of agreement of FMO based indexes was discussed.

Avaliação de contaminação ambiental causada por poluentes orgânicos persistentes utilizando simulação computacional

Environmental concern is growing in the current days and there is global agreement to banish production and use of persistent organic pollutants (POP). The synthetic insecticides chlordecone and mirex, classified as POPs, have similar structures and they are potentially toxic. This work uses properties and physicochemical constants related to the pesticides and computational simulation to evaluate the leach phenomenon and persistency in soil. The largest tendency of persistence of the compound is found to be in the surface of soil, but even low concentration in water represents a high risk due to bioaccumulation in adipose tissue.

Reatividade em reações de Diels-Alder: uma prática computacional

A computational quantum chemistry experiment is described of Diels-Alder reactions between 2-cycloenones and cyclopentadiene. The effects of FMO-Frontier Molecular Orbitals (HOMO-LUMO) and of the withdrawing nature of substituents at the C=C bond of cycloenones were evaluated. The calculations were made using HF/STO-3G and B3LYP/6-31+G(d,p) methods. The FMO based indexes are in agreement with the experimentally observed reactivity order. NBO - Natural Bond Orbitals - analysis was used to ascertain the effect of C=C substituents on the dienophile reactivity.

Uma perspectiva computacional sobre catálise enzimática

Enzymes are extremely efficient catalysts. Here, part of the mechanisms proposed to explain this catalytic power will be compared to quantitative experimental results and computer simulations. Influence of the enzymatic environment over species along the reaction coordinate will be analysed. Concepts of transition state stabilisation and reactant destabilisation will be confronted. Divided site model and near-attack conformation hypotheses will also be discussed. Molecular interactions such as covalent catalysis, general acid-base catalysis, electrostatics, entropic effects, steric hindrance, quantum and dynamical effects will also be analysed as sources of catalysis. Reaction mechanisms, in particular that catalysed by protein tyrosine phosphatases, illustrate the concepts.

Aplicação da química quântica computacional no estudo de processos químicos envolvidos em espectrometria de massas

The field of application of mass spectrometry (MS) has increased considerably due to the development of ionization techniques. Other factors that have stimulated the use of MS are the tandem mass spectrometry (MS/MS) and sequential mass spectrometry (MSn) techniques. However, the interpretation of the MS/MS and MSn data may lead to speculative conclusions. Thus, various quantum chemical methods have been applied for obtaining high quality thermochemical data in gas phase. In this review, we show some applications of computational quantum chemistry to understand the formation and fragmentation of gaseous ions of organic compounds in a MS analysis.

Avaliação do destino e bioacumulação de benzo(a)pireno através de simulação computacional

The objective of this work was to evaluate the environmental distribution of benzo(a)pirene, a polycyclic aromatic hydrocarbon, by the EQC model. The modeling of the contaminant distribution was accomplished by means of the fugacity model applied to a hypothetical scenario constituted by air, water, soil and sediment. The modeling and simulations revealed that the soil is the preferential compartment. We also discuss the implications of the results about fate and ecological risks associated with benzo(a)pirene. We concluded that the emissions of HPAs can not be ignored and bioaccumulation among others risks can be induced.

O ensino de reações orgânicas usando química computacional: I. reações de adição eletrofílica a alquenos

Basic concepts that play an important role in some organic reactions are revisited in this paper, which reports a pedagogical experience involving undergraduate and graduate students. A systematic procedure has been applied in order to use widespread available computational tools. This paper aims to discuss the use of computers in teaching electrophilic addition reactions to alkenes. Two classical examples have been investigated: addition to non-conjugated alkenes and addition to conjugated dienes. The results were compared with those normally discussed in organic textbooks. Several important concepts, such as conformational analysis and energy control (kinetic and thermodynamic) involved in reaction mechanisms can be taught more efficiently if one connects theoretical and practical tools.

Implementação computacional do modelo carga-fluxo de carga-fluxo de dipolo para cálculo e interpretação das intensidades do espectro infravermelho

The first computational implementation that automates the procedures involved in the calculation of infrared intensities using the charge-charge flux-dipole flux model is presented. The atomic charges and dipoles from the Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM) model was programmed for Morphy98, Gaussian98 and Gaussian03 programs outputs, but for the ChelpG parameters only the Gaussian programs are supported. Results of illustrative but new calculations for the water, ammonia and methane molecules at the MP2/6-311++G(3d,3p) theoretical level, using the ChelpG and QTAIM/Morphy charges and dipoles are presented. These results showed excellent agreement with analytical results obtained directly at the MP2/6-311++G(3d,3p) level of theory.

Modelagem da combustão da dinitramida de amônio por simulação computacional

In this work, the combustion process of ammonium dinitramide, ADN, has been modeled in two different situations: decomposition in open environment, with abundant air and decomposition in a rocket motor internal environmental conditions. The profiles of the two processes were achieved, based on molar fractions of the species that compose the products of ADN combustion. The velocity of formation and quantity of species in the open environment was bigger than the ones in the rocket motor environment, showing the effect of the different atmosphere in the reactions kinetics.