PLA-Based Simulator for Dosimetry Assessment of Healthcare Waste

Hugo Leonardo Lemos Silva; Noil Amorim de Menezes Cussiol; Tarcísio Passos Ribeiro de Campos

doi:10.15392/2319-0612.2026.3037

Authors

Hugo Leonardo Lemos Silva Federal University of Minas Gerais
- Conceptualization
- Formal Analysis
- Methodology
- Writing – Original Draft Preparation
- Writing – Review & Editing
Dra. Noil Amorim de Menezes Cussiol Healthy Hospital Projects , Projeto Hospitais Saudáveis
- Conceptualization
- Validation
- Visualization
- Writing – Review & Editing
- Supervision
Dr. Tarcísio Passos Ribeiro de Campos Federal University of Minas Gerais
- Supervision
- Validation
- Visualization
- Writing – Review & Editing

DOI:

https://doi.org/10.15392/2319-0612.2026.3037

Keywords:

Healthcare Waste, Dosimetry, PLA Phan, 3D Printing, Monte Carlo Simulation, Industrial Radiation Processing

Abstract

Healthcare waste (HCW) requires efficient treatment prior to final disposal to prevent the spread of pathogens and environmental contamination. Ionizing irradiation has emerged as a promising alternative to incineration; however, accurate absorbed-dose determination depends on knowledge of the material’s radiological properties. This work aims to develop a physical simulator for HCW to support dosimetric evaluation of irradiated waste, including experimental and computational validation. Data from the National Institute of Standards and Technology (NIST), along with the XCOM and ESTAR programs, were used to obtain mass energy-absorption coefficients for photons and mass stopping power for electrons in the energy range of 0.1 to 20 MeV. Two approaches were considered: a full compositional model representative of typical HCW, and a simplified model based on Polylactic Acid (PLA), containing only C, O, and H, assuming that PLA adequately reproduces the predominant elemental fraction of the waste. Dosimetric validation was performed by comparing mass attenuation coefficients (μ) and stopping power (S) between HCW and PLA. Computational simulations using PHITS evaluated the spatial dose distribution from photons and electrons. A physical simulator was subsequently manufactured by 3D printing in PLA, with a density of 0.15 g/cm³ and internal hexagonal geometry to reflect realistic waste packing characteristics. Comparisons of attenuation and stopping power coefficients showed minimal differences between HCW and PLA, demonstrating radiological equivalence. Simulations and analyses confirmed that the simulator effectively reproduces the spatial dose distribution, with good homogeneity and fidelity to real behavior. The use of PLA proved to be a practical, economical, and technically consistent solution for constructing simulators aimed at improving dosimetric processes in ionizing radiation treatment of healthcare waste, while also enabling reproducible studies with strong potential for practical application.

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Author Biographies

Hugo Leonardo Lemos Silva, Federal University of Minas Gerais

Graduação em Física pela Universidade Federal de Minas Gerais, mestrado em Desenvolvimento de Tecnologia Nuclear pelo Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear - CDTN/CNEN, doutorando pelo Programa de Pós Gradução em Ciência e Técnicas Nucleares da UFMG. Físico Médico pela Associação Brasileira de Física Médica ABFM e Supervisor de Radioproteção pela CNEN. Possui 23 anos de experiencia na área de radioterapia atuando na implantação de várias radioterapias pelo Brasil.
Dra. Noil Amorim de Menezes Cussiol, Healthy Hospital Projects, Projeto Hospitais Saudáveis

Possui graduação em Bacharelado em Química com Atribuições Tecnológicas pela Fundação Técnico Educacional Souza Marques (1977), graduação em Licenciatura em Química pela Fundação Técnico Educacional Souza Marques (1978), mestrado em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Universidade Federal de Minas Gerais (2000) e doutorado em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Universidade Federal de Minas Gerais (2005). Atualmente é servidora aposentada da Comissão Nacional de Energia Nuclear./Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CNEN/CDTN), onde atuou como química nuclear e foi responsável pelo gerenciamento de resíduos químicos de laboratórios de pesquisa. Tem experiência na área de Engenharia Sanitária e Ambiental, atuando principalmente nos seguintes temas: gerenciamento de resíduos de serviços de saúde, lixo hospitalar, gerenciamento de resíduos químicos de laboratórios.
Dr. Tarcísio Passos Ribeiro de Campos, Federal University of Minas Gerais

Professor Titular Aposentado da Universidade Federal de Minas Gerais, atualmente em continua colaboração com a UFMG/PCTN e CDTN - Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear. O Professor possui graduação em Engenharia pela Universidade Federal de Minas Gerais (1983), mestrado em Engenharia Nuclear pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1985) na área de Física de Reatores (Ressonancias Nucleares), doutorado em Engenharia Nuclear - University of Illinois at Urbana Chamapaign - UIUC/USA (1993) na área de Engenharia Nuclear (major) e Engenharia Elétrica (minor), junto ao Institute Beckman, atuando em neurociencia, robotização e coordenação visuo-motora, e pos-doutorado no Massachusetts Institute of Technology - MIT/USA (1998) no programa de pesquisa MIT-Harvard, como Fulbright Fellow, na área de Terapia de Captura de Neutrons pelo Boro, aplicado a Tumores Cerebrais. Coordenador do Programa de Pós-graduação de Ciências e Técnicas Nucleares na gestão de 2001-2003. Foi consultor da CAPES-Engenharia II da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (2004-2010). Consultor de universidade estrangeira (2020-).Tem experiência em várias áreas de Engenharia e Energia Nuclear, tendo dado ênfase atual em materiais, ciência das radiações e radioisótopos, radioquimica e radiobiologia, atuando principalmente nos seguintes temas: biomateriais radioativos, efeitos das radiações ionizantes, radioterapia, braquiterapia, dosimetria experimental e computacional, produção de radiofarmacos, desenvolvimento de simuladores radiológicos físicos, softwares aplicados a radioterapia, terapia de captura de neutrons, radiobiologia, proteoma e lipidomica, radioquimica e cancerologia, bem como instrumentação nuclear, automação, e projeto de aceleradores de partículas nucleares, transmutadores isotópicos, geradores de radioisotopos, nucleo de reatores nucleares. Possui 14 patentes e 01 software registrados no INPI, 2 patentes de invenção submetidas ao WIPO tendo produzido 04 sistemas computacionais, publicado 148 artigos em revistas indexadas e 340 artigos completos em anais de congresso, 34 resumos, orientando 57 dissertações de mestrado e 21 de doutorado e 2 co-orientações de doutorado finalizadas, tendo 2 orientações em andamento; além de ter acompanhado 13 pos-doutores sendo 01 pos-doutorado senior. Colabora com pesquisadores de várias instituições, entre elas: Depto de Cirurgia da Universidade Federal de Ouro Preto, Biologia, Farmácia, Veterinária, e Medicina da UFMG, Centros de radioterapia da Santa Casa de Misericórdia, Hospital Mario Pena, Hospital São Francisco e Centro de Desenvolvimento de Tecnologia Nuclear - CDTN, entre outras. Coordenou mais de 28 projetos de pesquisa financiados por agencias governamentais. Faz parte do Corpo Editorial do Journal of Radiology, Austin Publishing Group e Revista Mineira de Radioterapia. Lecionou 30 anos, disciplinas na pos-graduação e graduação, em especial disciplinas em radiobiologia aplicada, radioquimica aplicada, conceitos de imagens medicas, radiações aplicada a biomedicina, aceleradores de partículas aplicados a biomédica, radioproteção, na área de concentração de Ciências das Radiações, na linha de pesquisa em radiações aplicadas à engenharia e saúde.

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