AVALIAÇÃO TOMOGRÁFICA DA ANGULAÇÃO DOS PRIMEIROS E SEGUNDOS MOLARES E DO ESPAÇO PARA O TERCEIRO MOLAR SUPERIOR APÓS O USO DO APARELHO FORSUS®.

A presente pesquisa avaliou a angulação mésio-distal e a distalização dos primeiros e dos segundos molares superiores permanentes em pacientes tratados com o aparelho Forsus® em conjunto com o aparelho ortodôntico fixo. A amostra foi composta por 44 teleradiografias, (22 do lado direito e 22 do lado esquerdo), obtidas por meio de 11 tomografias computadorizadas, de 11 pacientes, realizadas em dois tempos: antes (T1) e após (T2) a instalação do aparelho Forsus®, tratados na clínica de Pós-Graduação em Odontologia, área de Ortodontia, da Universidade Metodista de São Paulo. Após a obtenção dos cortes tipo telerradiografia, foi realizada a marcação dos pontos, linhas e planos, e realizada a mensuração das variáveis de interesse. Para avaliação do espaço para os terceiros molares superiores, utilizou-se uma linha referencial (linha PTVR), demarcada a partir do ponto PTV, perpendicular ao plano de Frankfurt. O espaço avaliado compreendeu entre a Linha PTVR, até a face distal do primeiro molar e do segundo superior permanente. Para avaliar o longo eixo dos primeiros e segundos molares superiores, mensurou-se o ângulo formado entre esses dentes e o plano palatino. Para auxílio das mensurações, foi utilizado o software Radiocef Studio 2. Na análise estatística usou-se o teste t pareado. Concluiu-se que houve distalização e aumento da angulação distal dos primeiros e segundos molares superiores, sendo que nos segundos molares a distalização e angulação distal da coroa ocorreram em menor quantidade; os efeitos do lado direito e esquerdo foram semelhantes; pode-se também constatar que ocorreu uma redução na probabilidade de erupção dos terceiros molares superiores.

BENEFÍCIOS DO TRATAMENTO TARDIO DA MÁ OCLUSÃO DE CLASSE II COM OS APARELHOS FORSUS E TWIN FORCE

O objtivo deste estudo pros

AVALIAÇÃO DAS TÁBUAS ÓSSEAS VESTIBULARES E LINGUAIS DOS DENTES ANTERIORES INFERIORES E MOLARES SUPERIORES APÓS O TRATAMENTO COM OS APARELHOS FUNCIONAIS FIXOS FORSUS E TWIN FORCE BITE CORRECTOR

Pelo fato das consequências do uso de aparelhos ortopédicos fixos sobre o periodonto ósseo vestibular e lingual ainda serem uma incógnita para o ortodontista clínico e pesquisador, este estudo teve como objetivo avaliar, por meio de tomografia computadorizada de feixe cônico (TCFC) as alterações em espessura das tábuas ósseas vestibulares e linguais em primeiros molares superiores e incisivos e caninos inferiores, após a utilização de aparelhagem fixa e dos aparelhos Twin Force (grupo A) e Forsus (grupo B) para o tratamento da maloclusão de Classe II, 1ª divisão. Para tanto, obteve-se uma amostra de 22 pacientes jovens adultos, divididos em dois grupos, de acordo com o aparelho propulsor da mandíbula. Grupo experimental A: 11 pacientes, 6 masculinos e 5 femininos, com idade média de 15,09 anos na instalação do Twin Force, e 11 pacientes, 7 masculinos e 4 femininos, com idade média de 15,45 anos na instalação do Forsus. O tempo médio de uso do aparelho Twin Force foi de 3,73 meses e do Forsus, 7,09 meses. O grupo A realizou TCFC antes do início do tratamento (T1), antes da instalação do Twin Force (T2), após a remoção do Twin Force (T3); e o grupo B somente antes da instalação do Forsus (T2) e após a remoção do Forsus (T3). Para comparação entre os tempos T2 e T3 foi utilizado o teste t pareado e entre os tempos T1, T2 e T3 foi utilizada a Análise de Variância (ANOVA) a um critério e o teste post-hoc de Tukey. Para comparação entre os grupos foi utilizado o teste t . Na comparação intergrupos os resultados evidenciaram que não houve diferença estatisticamente significante entre as alterações das espessuras das tábuas ósseas vestibular e lingual; por outro lado, na avaliação intra-grupo, de 48 medidas avaliadas, no grupo A houve reduções estatisticamente significantes nos terços cervical e médio por vestibular, nos dentes anteroinferiores e nos primeiros molares superiores e aumento nos terços cervical e médio, por lingual nos dentes anteriores inferiores, totalizando 25 medidas significantes. Já no grupo B, houve aumento significante da tábua óssea lingual nos dentes anteriores inferiores e redução em vestibular nos molares superiores, totalizando apenas sete medidas significantes, mas com mais medidas significantes de redução óssea vestibular em terços cervical e médio nos primeiros molares superiores, em comparação com o grupo A. Não houve diferença significante entre as medições obtidas com voxel 0,2 mm e 0,4 mm e nem dimorfismo entre os gêneros. As reduções em espessura óssea alveolar, principalmente em terços cervicais e médios vestibulares nos dentes avaliados neste estudo são um alerta ao clínico, para que realize essa abordagem diagnóstica periodontal antes de iniciar o tratamento ortodôntico.

AVALIAÇÃO TOMOGRÁFICA DA INCLINAÇÃO E DAS TÁBUAS ÓSSEAS VESTIBULAR E LINGUAL DE INCISIVOS NO TRATAMENTO DA CLASSE II DIVISÃO 1 COM O APARELHO FORSUS®

O objetivo deste estudo prospectivo foi avaliar os efeitos do aparelho Forsus® nos incisivos centrais superiores e inferiores. A amostra constituiu-se de 22 tomografias computadorizadas de 11 pacientes (sexo masculino e feminino) idade média de 15,8 anos com má oclusão de Classe II que foram tratados com o aparelho Forsus® na clínica do programa de pós-graduação em Odontologia, área de concentração Ortodontia, da Universidade Metodista de São Paulo. As tomografias foram obtidas em dois momentos T1 (final de nivelamento e antes da instalação do Forsus® e T2 (remoção do Forsus®). Para avaliar a distância do ápice até a tábua óssea, as imagens a serem examinadas foram obtidas com o auxílio do viewer do próprio i-CAT® , o iCATVision® e examinadas com o CorelDRAW X5® já para as medidas cefalométricas IMPA e 1.PP as imagens cefalométricas ortogonais foram obtidas em proporção 1:1 com auxílio do software Dolphin 3D® (Dolphin Imaging and Management Solutions, Chatsworth, EUA) e em seguida examinadas com o software Radiocef Studio 2 (Radio Memory, Belo Horizonte, Brasil). Para a obtenção do erro intra-examinador foi feito o teste t de Student pareado para o erro sistemático e a fórmula de DAHLBERG para estimar a ordem de grandeza dos erros casuais e na análise estatística dos resultados utilizou-se: o teste t para a determinação das diferenças entres as fases de observação e o teste de correlação de Pearson para avaliar a correlação entres as alterações. Observou-se: um aumento significativo (p<0,05) tanto no IMPA quanto no 1.PP, aproximação do ápice dos incisivos inferiores da tábua óssea lingual, aproximação do ápice dos incisivos superiores da tábua óssea vestibular, uma correlação negativa muito forte entre o IMPA e a distância do ápice do incisivo até a tábua óssea lingual e uma correlação negativa moderada entre 1.PP e a distância do ápice do incisivo até a tábua óssea vestibular. Sendo assim o aparelho Forsus® no tratamento da Classe II teve como efeito: vestibularização significativa dos incisivos centrais inferiores, uma verticalização significativa dos incisivos centrais superiores, aproximação do ápice dos incisivos inferiores da cortical óssea lingual e aproximação do ápice dos incisivos superiores da cortical óssea vestibular.

Analysis of the scale effect in different computed tomography systems on the evaluation of bone tissue parameters

Tra le patologie ossee attualmente riconosciute, l’osteoporosi ricopre il ruolo di protagonista data le sua diffusione globale e la multifattorialità delle cause che ne provocano la comparsa. Essa è caratterizzata da una diminuzione quantitativa della massa ossea e da alterazioni qualitative della micro-architettura del tessuto osseo con conseguente aumento della fragilità di quest’ultimo e relativo rischio di frattura. In campo medico-scientifico l’imaging con raggi X, in particolare quello tomografico, da decenni offre un ottimo supporto per la caratterizzazione ossea; nello specifico la microtomografia, definita attualmente come “gold-standard” data la sua elevata risoluzione spaziale, fornisce preziose indicazioni sulla struttura trabecolare e corticale del tessuto. Tuttavia la micro-CT è applicabile solo in-vitro, per cui l’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di verificare se e in che modo una diversa metodica di imaging, quale la cone-beam CT (applicabile invece in-vivo), possa fornire analoghi risultati, pur essendo caratterizzata da risoluzioni spaziali più basse. L’elaborazione delle immagini tomografiche, finalizzata all’analisi dei più importanti parametri morfostrutturali del tessuto osseo, prevede la segmentazione delle stesse con la definizione di una soglia ad hoc. I risultati ottenuti nel corso della tesi, svolta presso il Laboratorio di Tecnologia Medica dell’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna, mostrano una buona correlazione tra le due metodiche quando si analizzano campioni definiti “ideali”, poiché caratterizzati da piccole porzioni di tessuto osseo di un solo tipo (trabecolare o corticale), incluso in PMMA, e si utilizza una soglia fissa per la segmentazione delle immagini. Diversamente, in casi “reali” (vertebre umane scansionate in aria) la stessa correlazione non è definita e in particolare è da escludere l’utilizzo di una soglia fissa per la segmentazione delle immagini.

Prospective Estimation of Radiation Dose and Image Quality for Optimized CT Performance

X-ray computed tomography (CT) is a non-invasive medical imaging technique that generates cross-sectional images by acquiring attenuation-based projection measurements at multiple angles. Since its first introduction in the 1970s, substantial technical improvements have led to the expanding use of CT in clinical examinations. CT has become an indispensable imaging modality for the diagnosis of a wide array of diseases in both pediatric and adult populations [1, 2]. Currently, approximately 272 million CT examinations are performed annually worldwide, with nearly 85 million of these in the United States alone [3]. Although this trend has decelerated in recent years, CT usage is still expected to increase mainly due to advanced technologies such as multi-energy [4], photon counting [5], and cone-beam CT [6].

Despite the significant clinical benefits, concerns have been raised regarding the population-based radiation dose associated with CT examinations [7]. From 1980 to 2006, the effective dose from medical diagnostic procedures rose six-fold, with CT contributing to almost half of the total dose from medical exposure [8]. For each patient, the risk associated with a single CT examination is likely to be minimal. However, the relatively large population-based radiation level has led to enormous efforts among the community to manage and optimize the CT dose.

As promoted by the international campaigns Image Gently and Image Wisely, exposure to CT radiation should be appropriate and safe [9, 10]. It is thus a responsibility to optimize the amount of radiation dose for CT examinations. The key for dose optimization is to determine the minimum amount of radiation dose that achieves the targeted image quality [11]. Based on such principle, dose optimization would significantly benefit from effective metrics to characterize radiation dose and image quality for a CT exam. Moreover, if accurate predictions of the radiation dose and image quality were possible before the initiation of the exam, it would be feasible to personalize it by adjusting the scanning parameters to achieve a desired level of image quality. The purpose of this thesis is to design and validate models to quantify patient-specific radiation dose prospectively and task-based image quality. The dual aim of the study is to implement the theoretical models into clinical practice by developing an organ-based dose monitoring system and an image-based noise addition software for protocol optimization.

More specifically, Chapter 3 aims to develop an organ dose-prediction method for CT examinations of the body under constant tube current condition. The study effectively modeled the anatomical diversity and complexity using a large number of patient models with representative age, size, and gender distribution. The dependence of organ dose coefficients on patient size and scanner models was further evaluated. Distinct from prior work, these studies use the largest number of patient models to date with representative age, weight percentile, and body mass index (BMI) range.

With effective quantification of organ dose under constant tube current condition, Chapter 4 aims to extend the organ dose prediction system to tube current modulated (TCM) CT examinations. The prediction, applied to chest and abdominopelvic exams, was achieved by combining a convolution-based estimation technique that quantifies the radiation field, a TCM scheme that emulates modulation profiles from major CT vendors, and a library of computational phantoms with representative sizes, ages, and genders. The prospective quantification model is validated by comparing the predicted organ dose with the dose estimated based on Monte Carlo simulations with TCM function explicitly modeled.

Chapter 5 aims to implement the organ dose-estimation framework in clinical practice to develop an organ dose-monitoring program based on a commercial software (Dose Watch, GE Healthcare, Waukesha, WI). In the first phase of the study we focused on body CT examinations, and so the patient’s major body landmark information was extracted from the patient scout image in order to match clinical patients against a computational phantom in the library. The organ dose coefficients were estimated based on CT protocol and patient size as reported in Chapter 3. The exam CTDIvol, DLP, and TCM profiles were extracted and used to quantify the radiation field using the convolution technique proposed in Chapter 4.

With effective methods to predict and monitor organ dose, Chapters 6 aims to develop and validate improved measurement techniques for image quality assessment. Chapter 6 outlines the method that was developed to assess and predict quantum noise in clinical body CT images. Compared with previous phantom-based studies, this study accurately assessed the quantum noise in clinical images and further validated the correspondence between phantom-based measurements and the expected clinical image quality as a function of patient size and scanner attributes.

Chapter 7 aims to develop a practical strategy to generate hybrid CT images and assess the impact of dose reduction on diagnostic confidence for the diagnosis of acute pancreatitis. The general strategy is (1) to simulate synthetic CT images at multiple reduced-dose levels from clinical datasets using an image-based noise addition technique; (2) to develop quantitative and observer-based methods to validate the realism of simulated low-dose images; (3) to perform multi-reader observer studies on the low-dose image series to assess the impact of dose reduction on the diagnostic confidence for multiple diagnostic tasks; and (4) to determine the dose operating point for clinical CT examinations based on the minimum diagnostic performance to achieve protocol optimization.

Chapter 8 concludes the thesis with a summary of accomplished work and a discussion about future research.

Evaluating deviations in prostatectomy patients treated with IMRT

Aim - To evaluate the deviations in prostatectomy patients treated with IMRT in order to calculate appropriate margins to create the PTV. Background - Defining inappropriate margins can lead to underdosing in target volumes and also overdosing in healthy tissues, increasing morbidity. Material and methods - 223 CBCT images used for alignment with the CT planning scan based on bony anatomy were analyzed in 12 patients treated with IMRT following prostatectomy. Shifts of CBCT images were recorded in three directions to calculate the required margin to create PTV. Results and discussion - The mean and standard deviation (SD) values in millimetres were −0.05 ± 1.35 in the LR direction, −0.03 ± 0.65 in the SI direction and −0.02 ± 2.05 the AP direction. The systematic error measured in the LR, SI and AP direction were 1.35 mm, 0.65 mm, and 2.05 mm with a random error of 2.07 mm; 1.45 mm and 3.16 mm, resulting in a PTV margin of 4.82 mm; 2.64 mm, and 7.33 mm, respectively. Conclusion - With IGRT we suggest a margin of 5 mm, 3 mm and 8 mm in the LR, SI and AP direction, respectively, to PTV1 and PTV2. Therefore, this study supports an anisotropic margin expansion to the PTV being the largest expansion in the AP direction and lower in SI.

Prevalencia de conducto en forma de C en segundos molares inferiores en pacientes de la Facultad de Odontología de la Universidad Autónoma de Nuevo León

El conocimiento, así como la investigación de la morfología radicular y de sus variaciones entre las distintas poblaciones del mundo es de suma importancia en el área odontológica; es imprescindible que el clínico se encuentre familiarizado con las variaciones de la anatomía dental antes de poder realizar satisfactoriamente un tratamiento. El conducto en forma de “C” es una variación anatómica del sistema de conductos radiculares encontrado con más frecuencia en los segundos molares inferiores, representa un desafío al odontólogo en relación a su limpieza y obturación, especialmente si su anatomía se modifica a lo largo del conducto. El Objetivo de la presente investigación es: Analizar la prevalencia de los conductos en forma de “C” de los segundos molares inferiores, mediante Cone Beam Computed Tomography en los pacientes de la Facultad de Odontología de la Universidad Autónoma De Nuevo León, examinar su frecuencia bilateral y unilateral en pacientes masculinos y femeninos así como comparar los resultados entre sí. Materiales y Métodos: Se analizaron trescientas diez imágenes de Cone Beam Computed Tomography de pacientes que acudieron a la facultad de Odontología de la Universidad Autónoma De Nuevo León en el año 2012 para observar la presencia del conducto en forma de “C” en las segundas molares inferiores. Dichos datos se recopilaron en una hoja de captura para posteriormente ser contabilizados. Para obtener los datos de unilateralidad y bilateralidad, solamente se tomaran en cuenta los casos en los que se presentaron las segundas molares inferiores en ambos. Resultados: De las 310 imágenes, 52 fueron excluidas, siendo un total de 258 imágenes analizadas (90 hombres y 168 mujeres). El conducto en forma de “C” se observó en 60 pacientes (19 hombres y 41 mujeres) presentándose bilateralmente en 71.42% de los casos. Conclusiones El presente estudio demuestra que aunque el conducto en forma de “C” en el estado de Nuevo León se presenta con menor frecuencia que en otras regiones del mundo, el Odontólogo debe estar capacitado para identificarlo y realizar un adecuado tratamiento, debido a que es comúnmente encontrado. Los presentes resultados concuerdan que si el conducto en forma de “C” se encuentra en una segunda molar inferior, muy frecuentemente se encontrará también en la segunda molar del lado opuesto.

Dosimetry of cone-defined stereotactic radiosurgery fields with a commercial synthetic diamond detector

Purpose Small field x-ray beam dosimetry is difficult due to a lack of lateral electronic equilibrium, source occlusion, high dose gradients and detector volume averaging. Currently there is no single definitive detector recommended for small field dosimetry. The objective of this work was to evaluate the performance of a new commercial synthetic diamond detector, namely the PTW 60019 microDiamond, for the dosimetry of small x-ray fields as used in stereotactic radiosurgery (SRS). Methods Small field sizes were defined by BrainLAB circular cones (4 – 30 mm diameter) on a Novalis Trilogy linear accelerator and using the 6 MV SRS x-ray beam mode for all measurements. Percentage depth doses were measured and compared to an IBA SFD and a PTW 60012 E diode. Cross profiles were measured and compared to an IBA SFD diode. Field factors, Ω_(Q_clin,Q_msr)^(f_clin,f_msr ), were calculated by Monte Carlo methods using BEAMnrc and correction factors, k_(Q_clin,Q_msr)^(f_clin,f_msr ), were derived for the PTW 60019 microDiamond detector. Results For the small fields of 4 to 30 mm diameter, there were dose differences in the PDDs of up to 1.5% when compared to an IBA SFD and PTW 60012 E diode detector. For the cross profile measurements the penumbra values varied, depending upon the orientation of the detector. The field factors, Ω_(Q_clin,Q_msr)^(f_clin,f_msr ), were calculated for these field diameters at a depth of 1.4 cm in water and they were within 2.7% of published values for a similar linear accelerator. The corrections factors, k_(Q_clin,Q_msr)^(f_clin,f_msr ), were derived for the PTW 60019 microDiamond detector. Conclusions We conclude that the new PTW 60019 microDiamond detector is generally suitable for relative dosimetry in small 6 MV SRS beams for a Novalis Trilogy linear equipped with circular cones.

High-energy electron beam production by femtosecond laser interactions with exploding-foil plasmas

The interaction of an ultraintense, 30-fs laser pulse with a preformed plasma was investigated as a method of producing a beam of high-energy electrons. We used thin foil targets that are exploded by the laser amplified spontaneous emission preceding the main pulse. Optical diagnostics show that the main pulse interacts with a plasma whose density is well below the critical density. By varying the foil thickness, we were able to obtain a substantial emission of electrons in a narrow cone along the laser direction with a typical energy well above the laser ponderomotive potential. These results are explained in terms of wake-field acceleration.

Evaluation of Microcollimated Pars Plana External Beam Radiation in the Porcine Eye

Purpose: To evaluate the clinical and histological side effects of a prototype stereotactic radiotherapy system delivering microcollimated external beam radiation through pars plana in porcine eyes.

Methods: Five Yucatan mini-swine (10 eyes) were randomized to five treatment groups. Eight eyes were dosed with X-ray radiation on Day 1, and two eyes served as untreated controls. Treated eyes received doses up to 60 Gy to the retina and up to 130 Gy to the sclera using single or overlapping beams. The treatment beams were highly collimated such that the diameter was approximately 2.5 mm on the sclera and 3 mm on the retinal surface. Fundus photography, fluorescein angiography (FA), and spectral domain optical coherence tomography (SD-OCT) were obtained on days 7, 30, 60, and 110. Images were examined by a masked grader and evaluated for abnormalities. Animals were sacrificed on day 111 and gross and histopathological analysis was conducted.

Results: Histological and gross changes to eye structures including conjunctiva and lens were minimal at all doses. Fundus, FA, and SD-OCT of the targeted region failed to disclose any abnormality in the control or 21 Gy treated animals. In the 42 and 60 Gy animals, hypopigmented spots were noted after treatment on clinical exam, and corresponding hyperfluorescent staining was seen in late frames. No evidence of choroidal hypoperfusion was seen. The histological specimens from the 60 Gy animals showed photoreceptor loss and displacement of cone nuclei.

Conclusion: Transcleral stereotactic radiation dosing in porcine eyes can be accomplished with no significant adverse events as doses less than 42 Gy.

Perfis de distribuição volumétrica de pontas XR 11003 e TXVK-4 em diferentes condições de pulverização

Com o objetivo de avaliar a uniformidade da distribuição volumétrica e o efeito da angulação dos bicos na barra em pulverizações, foi conduzido experimento em laboratório, com dez unidades de cada uma das pontas de jato plano XR 11003 e de jato cônico vazio TXVK-4, fabricadas pela Spraying Systems Co. As pontas XR 11003 foram avaliadas, isoladamente, em mesa de prova para bicos construída conforme a Norma ISO 5682-1:1996, a 0,30; 0,40 e 0,50 m de altura, submetidas à pressão de 200 e 300 kPa e posicionadas com ângulos de 30º e 45º no sentido horário e anti-horário e na vertical; as pontas TXVK-4 foram avaliadas nas mesmas alturas, porém a 300 e 400 kPa, e somente na vertical. A distribuição média do volume coletado em cada configuração, das dez unidades de cada ponta, foi inserida num programa computacional, desenvolvido para o estudo, que permitiu a simulação do padrão de deposição de uma barra pulverizadora, com 24 bicos, com sobreposições variáveis, obtendo-se, ao final, o coeficiente de variação da sobreposição, o desvio- padrão e a média do volume aplicado. Os resultados sugerem a necessidade de ajustes no espaçamento entre bicos para a obtenção de melhor uniformidade na distribuição, principalmente quando se utiliza ângulo na barra; há menor influência da variação da altura da barra sobre a uniformidade da distribuição quando o espaçamento entre bicos é reduzido.

Fabrication of cone-shaped boron doped diamond and gold nanoelectrodes for AFM-SECM

We demonstrate a reliable microfabrication process for a combined atomic force microscopy (AFM) and scanning electrochemical microscopy (SECM) measurement tool. Integrated cone-shaped sensors with boron doped diamond (BDD) or gold (Au) electrodes were fabricated from commercially available AFM probes. The sensor formation process is based on mature semiconductor processing techniques, including focused ion beam (FIB) machining, and highly selective reactive ion etching (RIE). The fabrication approach preserves the geometry of the original AFM tips resulting in well reproducible nanoscaled sensors. The feasibility and functionality of the fully featured tips are demonstrated by cyclic voltammetry, showing good agreement between the measured and calculated currents of the cone-shaped AFM-SECM electrodes.

Collapsed cone convolution and analytical anisotropic algorithm dose calculations compared to VMC++ Monte Carlo simulations in clinical cases

The purpose of this work was to study and quantify the differences in dose distributions computed with some of the newest dose calculation algorithms available in commercial planning systems. The study was done for clinical cases originally calculated with pencil beam convolution (PBC) where large density inhomogeneities were present. Three other dose algorithms were used: a pencil beam like algorithm, the anisotropic analytic algorithm (AAA), a convolution superposition algorithm, collapsed cone convolution (CCC), and a Monte Carlo program, voxel Monte Carlo (VMC++). The dose calculation algorithms were compared under static field irradiations at 6 MV and 15 MV using multileaf collimators and hard wedges where necessary. Five clinical cases were studied: three lung and two breast cases. We found that, in terms of accuracy, the CCC algorithm performed better overall than AAA compared to VMC++, but AAA remains an attractive option for routine use in the clinic due to its short computation times. Dose differences between the different algorithms and VMC++ for the median value of the planning target volume (PTV) were typically 0.4% (range: 0.0 to 1.4%) in the lung and -1.3% (range: -2.1 to -0.6%) in the breast for the few cases we analysed. As expected, PTV coverage and dose homogeneity turned out to be more critical in the lung than in the breast cases with respect to the accuracy of the dose calculation. This was observed in the dose volume histograms obtained from the Monte Carlo simulations.

High power beam dump project for the accelerator prototype LIPAc: Cooling design and analysis

En el campo de la fusión nuclear y desarrollándose en paralelo a ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), el proyecto IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) se enmarca dentro de las actividades complementarias encaminadas a solucionar las barreras tecnológicas que aún plantea la fusión. En concreto IFMIF es una instalación de irradiación cuya misión es caracterizar materiales resistentes a condiciones extremas como las esperadas en los futuros reactores de fusión como DEMO (DEMOnstration power plant). Consiste de dos aceleradores de deuterones que proporcionan un haz de 125 mA y 40 MeV cada uno, que al colisionar con un blanco de litio producen un flujo neutrónico intenso (1017 neutrones/s) con un espectro similar al de los neutrones de fusión [1], [2]. Dicho flujo neutrónico es empleado para irradiar los diferentes materiales candidatos a ser empleados en reactores de fusión, y las muestras son posteriormente examinadas en la llamada instalación de post-irradiación. Como primer paso en tan ambicioso proyecto, una fase de validación y diseño llamada IFMIFEVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) se encuentra actualmente en desarrollo. Una de las actividades contempladas en esta fase es la construcción y operación de una acelarador prototipo llamado LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator). Se trata de un acelerador de deuterones de alta intensidad idéntico a la parte de baja energía de los aceleradores de IFMIF. Los componentes del LIPAc, que será instalado en Japón, son suministrados por diferentes países europeos. El acelerador proporcionará un haz continuo de deuterones de 9 MeV con una potencia de 1.125 MW que tras ser caracterizado con diversos instrumentos deberá pararse de forma segura. Para ello se requiere un sistema denominado bloque de parada (Beam Dump en inglés) que absorba la energía del haz y la transfiera a un sumidero de calor. España tiene el compromiso de suministrar este componente y CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas) es responsable de dicha tarea. La pieza central del bloque de parada, donde se para el haz de iones, es un cono de cobre con un ángulo de 3.5o, 2.5 m de longitud y 5 mm de espesor. Dicha pieza está refrigerada por agua que fluye en su superficie externa por el canal que se forma entre el cono de cobre y otra pieza concéntrica con éste. Este es el marco en que se desarrolla la presente tesis, cuyo objeto es el diseño del sistema de refrigeración del bloque de parada del LIPAc. El diseño se ha realizado utilizando un modelo simplificado unidimensional. Se han obtenido los parámetros del agua (presión, caudal, pérdida de carga) y la geometría requerida en el canal de refrigeración (anchura, rugosidad) para garantizar la correcta refrigeración del bloque de parada. Se ha comprobado que el diseño permite variaciones del haz respecto a la situación nominal siendo el flujo crítico calorífico al menos 2 veces superior al nominal. Se han realizado asimismo simulaciones fluidodinámicas 3D con ANSYS-CFX en aquellas zonas del canal de refrigeración que lo requieren. El bloque de parada se activará como consecuencia de la interacción del haz de partículas lo que impide cualquier cambio o reparación una vez comenzada la operación del acelerador. Por ello el diseño ha de ser muy robusto y todas las hipótesis utilizadas en la realización de éste deben ser cuidadosamente comprobadas. Gran parte del esfuerzo de la tesis se centra en la estimación del coeficiente de transferencia de calor que es determinante en los resultados obtenidos, y que se emplea además como condición de contorno en los cálculos mecánicos. Para ello por un lado se han buscado correlaciones cuyo rango de aplicabilidad sea adecuado para las condiciones del bloque de parada (canal anular, diferencias de temperatura agua-pared de decenas de grados). En un segundo paso se han comparado los coeficientes de película obtenidos a partir de la correlación seleccionada (Petukhov-Gnielinski) con los que se deducen de simulaciones fluidodinámicas, obteniendo resultados satisfactorios. Por último se ha realizado una validación experimental utilizando un prototipo y un circuito hidráulico que proporciona un flujo de agua con los parámetros requeridos en el bloque de parada. Tras varios intentos y mejoras en el experimento se han obtenido los coeficientes de película para distintos caudales y potencias de calentamiento. Teniendo en cuenta la incertidumbre de las medidas, los valores experimentales concuerdan razonablemente bien (en el rango de 15%) con los deducidos de las correlaciones. Por motivos radiológicos es necesario controlar la calidad del agua de refrigeración y minimizar la corrosión del cobre. Tras un estudio bibliográfico se identificaron los parámetros del agua más adecuados (conductividad, pH y concentración de oxígeno disuelto). Como parte de la tesis se ha realizado asimismo un estudio de la corrosión del circuito de refrigeración del bloque de parada con el doble fin de determinar si puede poner en riesgo la integridad del componente, y de obtener una estimación de la velocidad de corrosión para dimensionar el sistema de purificación del agua. Se ha utilizado el código TRACT (TRansport and ACTivation code) adaptándalo al caso del bloque de parada, para lo cual se trabajó con el responsable (Panos Karditsas) del código en Culham (UKAEA). Los resultados confirman que la corrosión del cobre en las condiciones seleccionadas no supone un problema. La Tesis se encuentra estructurada de la siguiente manera: En el primer capítulo se realiza una introducción de los proyectos IFMIF y LIPAc dentro de los cuales se enmarca esta Tesis. Además se describe el bloque de parada, siendo el diseño del sistema de rerigeración de éste el principal objetivo de la Tesis. En el segundo y tercer capítulo se realiza un resumen de la base teórica así como de las diferentes herramientas empleadas en el diseño del sistema de refrigeración. El capítulo cuarto presenta los resultados del relativos al sistema de refrigeración. Tanto los obtenidos del estudio unidimensional, como los obtenidos de las simulaciones fluidodinámicas 3D mediante el empleo del código ANSYS-CFX. En el quinto capítulo se presentan los resultados referentes al análisis de corrosión del circuito de refrigeración del bloque de parada. El capítulo seis se centra en la descripción del montaje experimental para la obtención de los valores de pérdida de carga y coeficiente de transferencia del calor. Asimismo se presentan los resultados obtenidos en dichos experimentos. Finalmente encontramos un capítulo de apéndices en el que se describen una serie de experimentos llevados a cabo como pasos intermedios en la obtención del resultado experimental del coeficiente de película. También se presenta el código informático empleado para el análisis unidimensional del sistema de refrigeración del bloque de parada llamado CHICA (Cooling and Heating Interaction and Corrosion Analysis). ABSTRACT In the nuclear fusion field running in parallel to ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) as one of the complementary activities headed towards solving the technological barriers, IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) project aims to provide an irradiation facility to qualify advanced materials resistant to extreme conditions like the ones expected in future fusion reactors like DEMO (DEMOnstration Power Plant). IFMIF consists of two constant wave deuteron accelerators delivering a 125 mA and 40 MeV beam each that will collide on a lithium target producing an intense neutron fluence (1017 neutrons/s) with a similar spectra to that of fusion neutrons [1], [2]. This neutron flux is employed to irradiate the different material candidates to be employed in the future fusion reactors, and the samples examined after irradiation at the so called post-irradiative facilities. As a first step in such an ambitious project, an engineering validation and engineering design activity phase called IFMIF-EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) is presently going on. One of the activities consists on the construction and operation of an accelerator prototype named LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator). It is a high intensity deuteron accelerator identical to the low energy part of the IFMIF accelerators. The LIPAc components, which will be installed in Japan, are delivered by different european countries. The accelerator supplies a 9 MeV constant wave beam of deuterons with a power of 1.125 MW, which after being characterized by different instruments has to be stopped safely. For such task a beam dump to absorb the beam energy and take it to a heat sink is needed. Spain has the compromise of delivering such device and CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas) is responsible for such task. The central piece of the beam dump, where the ion beam is stopped, is a copper cone with an angle of 3.5o, 2.5 m long and 5 mm width. This part is cooled by water flowing on its external surface through the channel formed between the copper cone and a concentric piece with the latter. The thesis is developed in this realm, and its objective is designing the LIPAc beam dump cooling system. The design has been performed employing a simplified one dimensional model. The water parameters (pressure, flow, pressure loss) and the required annular channel geometry (width, rugoisty) have been obtained guaranteeing the correct cooling of the beam dump. It has been checked that the cooling design allows variations of the the beam with respect to the nominal position, being the CHF (Critical Heat Flux) at least twice times higher than the nominal deposited heat flux. 3D fluid dynamic simulations employing ANSYS-CFX code in the beam dump cooling channel sections which require a more thorough study have also been performed. The beam dump will activateasaconsequenceofthe deuteron beam interaction, making impossible any change or maintenance task once the accelerator operation has started. Hence the design has to be very robust and all the hypotheses employed in the design mustbecarefully checked. Most of the work in the thesis is concentrated in estimating the heat transfer coefficient which is decisive in the obtained results, and is also employed as boundary condition in the mechanical analysis. For such task, correlations which applicability range is the adequate for the beam dump conditions (annular channel, water-surface temperature differences of tens of degrees) have been compiled. In a second step the heat transfer coefficients obtained from the selected correlation (Petukhov- Gnielinski) have been compared with the ones deduced from the 3D fluid dynamic simulations, obtaining satisfactory results. Finally an experimental validation has been performed employing a prototype and a hydraulic circuit that supplies a flow with the requested parameters in the beam dump. After several tries and improvements in the experiment, the heat transfer coefficients for different flows and heating powers have been obtained. Considering the uncertainty in the measurements the experimental values agree reasonably well (in the order of 15%) with the ones obtained from the correlations. Due to radiological reasons the quality of the cooling water must be controlled, hence minimizing the copper corrosion. After performing a bibligraphic study the most adequate water parameters were identified (conductivity, pH and dissolved oxygen concentration). As part of this thesis a corrosion study of the beam dump cooling circuit has been performed with the double aim of determining if corrosion can pose a risk for the copper beam dump , and obtaining an estimation of the corrosion velocitytodimension the water purification system. TRACT code(TRansport and ACTivation) has been employed for such study adapting the code for the beam dump case. For such study a collaboration with the code responsible (Panos Karditsas) at Culham (UKAEA) was established. The work developed in this thesis has supposed the publication of three articles in JCR journals (”Journal of Nuclear Materials” y ”Fusion Engineering and Design”), as well as presentations in more than four conferences and relevant meetings.