使用低成本、高灵敏度、全向康普顿相机对低水平伽马辐射源进行成像
2020年1月30日
我们介绍了利用一种低成本、高灵敏度、全向型伽马射线成像康普顿相机，在周围环境中可视化多种低水平伽马辐射源的实验方案。
这种简单方法可实现对低水平伽马辐射源的快速可视化检测，适用于表面和/或空气中每小时几微西弗或更低剂量率的环境。该探测器具有全向性、高灵敏度、低成本和便携性，可用于医院放射性同位素设施内的低水平伽马辐射源检测，以及福岛周边非隔离区域的监测。该方法可作为下一代环境辐射监测技术，取代目前医院放射性同位素设施中使用的传统固定式剂量率监测仪。
演示该实验步骤的是来自我实验室的学生Nina Kuwata和Katsuki Kubayashi。在放射性同位素设施内对密封放射源进行监测时，将康普顿相机放置在壁挂式剂量率监测仪旁，并测量探测器距离地面的高度。该壁挂式剂量率监测仪由一个平板电离室组成，能够以每分钟一次的频率持续监测该位置的空气吸收剂量率。
打开康普顿相机的电源，并通过在线计算机启动康普顿相机与剂量率监测仪的同步测量。将一个铯-137密封源置于A位置，距离探测器3.6米处。30分钟后，将密封源移至B位置，距离探测器6.7米处。
再过 30 分钟后，将密封源移至位置 C，距离探测器 6.7 米。再过 30 分钟后，将密封源移至位置 D，距离探测器 1 米。再过 30 分钟后，将密封源移出房间，持续 30 分钟，并停止所有测量。
在正电子发射断层扫描（PET）设施内进行环境监测时，需在患者到达前的清晨，将康普顿相机放置在PET设施接待台前方，并测量探测器距地面的高度。将在线计算机置于工作人员房间内，开启相机和计算机电源。当所有设备就位后，开始进行测量。
当日所有患者离开后停止监测。若需在室外进行放射性核素测量，请将康普顿相机放置在疑似存在放射性铯热点的建筑物附近，这些热点的服役剂量率约为每小时一微西弗或更低。将探测器高度设置为距地面1.5米，并开启相机和计算机电源。
然后，采集康普顿相机的测量数据30分钟。此处显示的是在放射性同位素设施中，康普顿相机测得的触发率随时间的变化情况，在对两个头部计数器的时间延迟选择小于一微秒的条件下进行。触发率每30分钟变化一次，具体取决于密封源的位置，这一点已通过固定剂量率监测器测得的数据得到证实。
设置了五个时间段以代表密封源的五个位置。如这些全向图像所示，在监测的第一至第四个时间段内，可以从显示为红色的伽马射线图像中成功识别出铯-137密封源的位置。在白天期间，正电子发射断层成像（PET）设施中测得的触发率整体随时间变化情况显示出触发率显著增强，并呈现出多种不同模式，这可能是由于注射了氟-18标记的氟代脱氧葡萄糖的患者在接待台周围移动所致。
例如，在6,200至7,000秒的时间段内，可观察到一系列具有两个平台期的增强信号。在这些设施图像中，两幅图像中伽马射线峰值的方向分别对应于墙后沙发和卫生间的方位。结合两个监测时段的触发频率来看，很可能是一位患者先进入卫生间停留约两分钟，随后在PET扫描前于沙发上坐了几分钟。
在福岛地区的室外测量中，该方案表明可以获得与地面低水平放射性铯污染分布相关的伽马射线图像。我们的去污程序可用于福岛第一核电站事故释放的低水平放射性铯污染区域，且我们对现有的PET系统进行了改进。
概述
本文介绍了使用一种低成本、高灵敏度康普顿相机对低水平伽马辐射源进行成像的实验方案。该方法适用于多种环境下的辐射监测，包括放射性同位素设施及受辐射影响的区域。
关键研究组成部分
科学领域
- 辐射检测
- 环境监测
- 伽马射线成像
背景
- 低强度伽马辐射源在监测方面存在挑战。
- 传统的固定式剂量率监测仪在灵活性上存在局限。
- 成像技术的进步可提升辐射监测能力。
- 康普顿相机提供了一种便携且灵敏的替代方案。
研究目的
- 开发一种快速可视化伽马辐射源的方法。
- 展示康普顿相机在各种环境中的有效性。
- 提供放射性同位素设施及户外环境中监测的实验方案。
使用的方法
- 将康普顿相机与传统的剂量率监测仪一起设置。
- 在密封的铯-137源不同距离处进行测量。
- 在患者到达前监测正电子发射断层成像（PET）设施内的环境辐射。
- 获取伽马射线发射数据并分析触发率。
主要结果
- 通过伽马射线成像成功识别铯-137放射源。
- 触发率因放射源位置和患者移动而显著变化。
- 展示了在户外监测低水平放射性污染的能力。
- 增强了对监测区域内辐射分布的理解。
结论
- 康普顿相机是环境辐射监测的一种可行工具。
- 它可在多种场景中替代传统方法。
- 进一步的发展可能有助于提升对低水平放射性污染的监测能力。
常见问题
行业重要性概述
可视化低水平伽马辐射源有助于放射性药物研发中的靶点验证，通过精确定位示踪剂分布和环境污染物来实现。康普顿相机具有高灵敏度和便携性，可增强涉及放射性标记化合物的临床前研究中的机制性风险评估能力。该技术提升了在药物发现和转化研究工作流程中，生物分布研究和辐射安全监测的预测可靠性。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：能够在临床前模型中研究放射性示踪剂的生物分布并阐明其作用通路。
- 操作价值：提供全方位成像，以明确功能靶点的结合情况，降低机制上的不确定性。
- 预测价值：通过在体内或原位可视化放射性标记化合物的低水平伽马射线发射，支持项目组合的筛选决策。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：通过绘制本底辐射干扰图谱，为下游筛选制备经过验证的生物系统。
- 操作价值：通过在多个测量点实现可重复、定量的γ射线成像，确保检测方法的标准化。
- 可扩展性：支持在不同环境中重复使用该平台，从放射性同位素设施到野外环境，实现对化合物的可靠评估。
转化与临床前研究
- 转化连续性：通过实时监测放射性示踪剂的移动，将发现阶段的成像与临床前验证相连接。
- 风险调整推进：可视化放射性物质的移动，例如患者介导的18F-FDG分布，以指导安全性和给药决策。
- 机制性降险：通过确认环境密闭性并降低脱靶辐射暴露风险，专注于预测性风险降低。
流程与工作流整合
该方法可整合到从早期靶点验证、先导化合物鉴定直至临床前研究的整个发现流程中，尤其适用于需要进行辐射分布图谱绘制的放射性药物研发项目。
- 发现生物学：通过可视化密封源或放射性示踪剂的伽马射线发射，揭示其空间分布，从而支持假设验证。
- 筛选：通过可重复的触发率测量和全向成像，实现检测就绪，支持不同条件间的比较分析。
- 分析：生成定量的触发率数据和伽马射线图像，使研究团队能够比较随时间变化的辐射源位置和移动模式。
- 转化研究：通过在核医学设施中追踪患者注射的放射性示踪剂的移动，与生物标志物匹配目标保持一致，实现与临床前研究的连续性衔接。
- 企业级复用：将康普顿相机定位为可在多个设施间重复使用的工具，减少对固定监测设备的依赖，并实现自适应的环境监测。
运营与企业影响
- 科学价值：预测放射性示踪剂行为的置信度，通过空间伽马成像实现靶点验证，降低生物分布中机制上的不确定性。
- 操作价值：通过可重复的测量方案实现标准化，可在室内和室外环境中重现结果，具备从实验室到现场应用的可扩展性。
- 战略价值：在放射性药物研发中做出更优的“推进/终止”决策，通过替代固定式监测设备提高资本使用效率，减少因未检测到的辐射扩散所带来的后期生物学风险。
- 项目组合影响：基于可视化辐射分布及污染潜力，对化合物进行风险校正后的优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备辐射探测、伽马射线成像和康普顿相机操作方面的专业知识。
- 需要配备康普顿相机、用于数据采集的在线计算机，以及137Cs等校准源等仪器设备以进行验证。
- 要求放射化学、成像和安全团队之间进行跨团队标准化，以确保环境监测方案的一致性。
- 在不同模型系统中部署时需考虑适应性问题，从台式密封源到动态的患者环境及户外污染区域均需适用。
- 存在一些实际限制，例如对极低剂量率（<1 µSv/h）的敏感性，以及在触发率分析中需要选择时间延迟以降低噪声，这些均有文献支持。
