Materiais radiologicamente equivalentes ao tecido humano são projetados para replicar os efeitos da radiação eletromagnética dentro de diferentes tecidos humanos, como ossos, pulmões, tecidos moles, músculos e outros. O presente trabalho, teve como objetivo principal estudar métodos para validação de materiais radiologicamente equivalentes ao tecido humano e à água a partir da determinação da densidade mássica e do número atômico efetivo, análise do coeficiente de atenuação mássico a partir de imagens tomográficas convencionais e de dupla energia e análise do coeficiente de atenuação linear a partir da espectrometria por raios X. Ao total, dezessete amostras com base de polipropileno e resina epóxi foram estudadas. Dentre elas estão amostras radiologicamente equivalentes à água, tecido mole e materiais comerciais CIRS BR12 e CIRS 70/30. As amostras estudadas apresentaram diferenças entre 9 e 15% em relação a densidade do material de referência, com exceção das amostras MA8 e MA9 radiologicamente equivalentes ao CIRS BR12 com 1.6% e - 6.9% de diferença, respectivamente. Estes são os únicos materiais produzidos com base de polipropileno e esse resultado pode apontar que o polipropileno é mais indicado para ser utilizado como material-base, além de ser um material reciclável, diferentemente da resina epóxi. Os valores de número atômico efetivo foram determinados a partir do método de Manohara e validados pelo software Auto-Zeff. No intervalo de 60-150 keV os resultados de ambos os métodos são compatíveis com diferenças relativas menores que 12%. Entre 10-150 keV, os materiais radiologicamente equivalentes à água e os materiais TM1, TM3, MA1 e MA8 apresentaram diferenças relativas menores que 23% em relação aos seus materiais de referência. As discrepâncias observadas entre os valores de número atômico efetivo dos materiais produzidos e materiais de referência são sempre positivas. Este resultado estimula correções na metodologia de produção, por exemplo, incluindo-se o cálculo de Zef (E) como um limitante na escolha dos componentes das amostras. A análise computacional do Zef (E) é fácil e rápida, permitindo avaliar a compatibilidade entre as formulações de materiais radiologicamente equivalentes com diferentes tecidos do corpo humano em diferentes intervalos de energia. Como exemplo, os materiais AG3 e MA7 foram compatíveis com: ovário, cristalino, tecido pulmonar, músculo esquelético e testículo com menos de 6% de diferença relativa no intervalo de 1-150 keV. A análise do coeficiente de atenuação mássico dos materiais a partir de imagens de tomografia computadorizada convencional mostra que as amostras AG1, AG2, AG3 e AG5 são compatíveis aos coeficientes de atenuação mássicos previstos pela metodologia de Mariano & Costa. Em relação aos coeficientes mássicos da água obtidos pelo XCOM, estas amostras apresentaram diferenças relativas de 4 a 7%. A análise do coeficiente mássico a partir de imagens de tomografia computadorizada de dupla energia mostram que os materiais AG1, AG2, AG3 e AG5 possuem diferença relativa média menor que 7% em relação ao coeficiente mássico da água. A determinação do coeficiente de atenuação linear a partir da espectrometria é um dos métodos mais confiáveis, porém exige acuidade na geometria do arranjo experimental. Nesta análise, os valores de coeficiente de atenuação linear da amostra AG2 é compatível com a água no intervalo de 40-100 keV com ± 5% de diferença como determinado pelo ICRU Report 44. Para a amostra AG6 o intervalo de compatibilidade é entre 40-80 keV e para a amostra MA8 entre 31-40 keV. Para energias menores que 30 keV e maiores que 100 keV será necessário refinar a metodologia experimental para obter estimativas de coeficiente de atenuação com menor incerteza nesses intervalos. A comparação entre os resultados de coeficiente de atenuação linear a partir da análise por tomografia computadorizada e espectrometria mostram que os valores de coeficiente de atenuação lineares obtidos para os dois métodos são concordantes.

Materials radiologically equivalent to human tissue are designed to replicate the effects of electromagnetic radiation within different human tissues, such as bones, lungs, soft tissues, muscles, and others. The present work aimed to study methods for the validation of radiologically equivalent materials to human tissue and water by the determination of mass density and effective atomic number, analysis of the mass attenuation coefficient by conventional and dual energy computed tomography images and analysis of the linear attenuation coefficient by spectrometry. In total, seventeen polypropylene- and epoxy resin-based samples were studied. Among them are samples radiologically equivalent to water, soft tissue and commercial materials CIRS BR12 and CIRS 70/30. The studied samples showed differences between 9 and 15% in relation to the density of the reference material, with the exception of samples MA8 and MA9 radiologically equivalent to CIRS BR12 with 1.6% and - 6.9% difference, respectively. These are the only materials produced with polypropylene as base and this result may indicate that polypropylene is more suitable for use as a base material, in addition to being a recyclable material unlike epoxy resin. Effective atomic number values were determined using the direct method of Manohara and validated by the Auto-Zeff software. In the range of 60-150 keV the results of both methods are compatible with percentage differences of less than 12%. In the range of 10-150 keV, materials radiologically equivalent to water and materials TM1, TM3, MA1 and MA8 showed relative differences of less than 23% in relation to their reference materials. The discrepancies observed between the effective atomic number values of the produced materials and reference materials are always positive. This result encourages corrections in the production methodology, for example, to include the calculation of Zef (E) as a constraint factor. The computation analysis of the Zef (E) is easy and fast, allowing the evaluation of the compatibility between the formulations of radiologically equivalent materials with different tissues of the human body at different ranges of energy. For example, samples AG3 and MA7 were compatible with: ovary, eye lens, lung tissue, skeletal muscle and testis with less than 6% of relative percentage difference in the range of 1-150 keV. The analysis of the mass attenuation coefficient of the materials using conventional computed tomography images show that the samples AG1, AG2, AG3 and AG5 are compatible with the mass coefficients obtained by the methodology of Mariano & Costa. Regarding the water mass attenuation coefficients obtained by XCOM, the materials AG1, AG2, AG3 and AG5 showed relative percentage differences of 4 to 7%. The analysis of the mass coefficient using dual energy computed tomography images shows that the materials AG1, AG2, AG3 and AG5 have an average relative difference of less than 7% in relation to the water mass coefficient. The determination of the linear attenuation coefficient from spectrometry is one of the most reliable methods. However, this method requires accuracy in the geometry of the experimental arrangement. In this analysis, the values of the linear attenuation coefficient of the sample AG2 are compatible with water in the 40-100 keV range with ± 5% difference as determined by ICRU Report 44. For sample AG6 the compatibility range is between 40-80 keV and for sample MA8 is between 31-40 keV. For energies lower than 30 keV and greater than 100 keV it will be necessary to refine the experimental methodology to obtain estimates of the attenuation coefficient with less uncertainty in these intervals. The comparison between the linear attenuation coefficient results from computed tomography and spectrometry analysis show that the linear attenuation coefficient values obtained for the two methods are in agreement.