Name: Visualización de fuentes de radiación gamma de bajo nivel utilizando una cámara Compton omnidireccional de bajo costo y alta sensibilidad (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-01-30T10:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 28 s
Description: Aprende a visualizar fuentes de radiación gamma de bajo nivel utilizando una cámara Compton omnidireccional de alta sensibilidad. Este método permite el monitoreo ambiental en instalaciones de radioisótopos y áreas afectadas por radiación.

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Este estudio fue apoyado por el Open Source Consortium of Instrumentation (Open-It), Japón, JSPS KAKENHI Grant (Nos. 22244019, 26610055, 15H04769 y 19H04492).

El protocolo se llevó a cabo siguiendo las directrices del comité de ética de la investigación en el National Cancer Center Hospital East, Japón.
1. Monitoreo de la fuente de radiación sellada en la sala de experimentos de las instalaciones de RI
<ol><li>Establezca la cámara Compton junto al monitor de velocidad de dosis como se muestra en la Figura 2a. Establecer la altura de los detectores desde el suelo a 2,5 m. Construir el monitor de velocidad de dosis, que consiste en una cámara de ionización de placa paralela, en la parte superior de la entrada de la sala de experimentos en la instalación RI para monitorear la velocidad de dosis de aire de la posición a intervalos de 1 min.</li>
	<li>Encienda la cámara Compton y el ordenador en línea.</li>
	<li>Inicie la medición simultánea con la cámara Compton y el monitor de velocidad de dosis.</li>
	<li>Establezca una fuente sellada de 137Cs (3,85 MBq) en una posición etiquetada como 'A' en la Figura 2a y déjela durante 30 minutos Establecer la distancia entre el detector y la fuente sellada en 3,6 m.</li>
	<li>Mueva la fuente sellada a una posición con la etiqueta 'B' y déjela durante 30 minutos. Establezca la distancia entre el detector y la fuente sellada a 6,7 m.</li>
	<li>Mueva la fuente sellada en una posición con la etiqueta 'C' y déjela durante 30 minutos. Establezca la distancia entre el detector y la fuente sellada a 6,7 m.</li>
	<li>Mueva la fuente sellada en una posición con la etiqueta 'D' y déjela durante 30 minutos. Establezca la distancia entre el detector y la fuente sellada en 1 m.</li>
	<li>Mueva la fuente sellada fuera de la habitación. Después de 30 min, detenga todas las mediciones.</li>
</ol>2. Monitoreo ambiental en instalaciones de PET
<ol><li>Fije la cámara Compton delante de la recepción en las instalaciones de PET como se muestra en la Figura 2b. Ajuste la altura de los detectores desde el suelo a 1 m.</li>
	<li>Establezca el ordenador en línea en la sala del personal.</li>
	<li>Encienda la cámara Compton y el ordenador en línea.</li>
	<li>Inicie la medición de la cámara Compton temprano en la mañana antes de que los pacientes lleguen a las instalaciones.</li>
	<li>Después de que todos los pacientes se vayan por el día, detenga todas las mediciones.</li>
</ol>3. Medición al aire libre en Kawamata-machi, Fukushima, Japón
<ol><li>Fije la cámara Compton cerca de una casa privada como se muestra en la Figura 2c, donde se sospecha la existencia de algunos puntos calientes de caesio radiológico con tasas de dosis superficiales de 1 Sv/h o menos. Ajuste la altura de los detectores desde el suelo a 1,5 m.</li>
	<li>Encienda la cámara Compton y el ordenador en línea.</li>
	<li>Inicie la medición de la cámara Compton.</li>
	<li>Después de 30 min, detenga todas las mediciones.</li>
</ol>

<ol><li>ICRP. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recommendations+of+the+international+commission+on+radiological+protection%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+the+ICRP%22%5BJournal%5D)">Recommendations of the international commission on radiological protection.</a> Annals of the ICRP. 21, ICRP Publication 60 (1990).</li>
<li>Kamae, T., Enomoto, R., Hanada, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+method+to+measure+energy%2C+direction%2C+and+polarization+of+gamma+rays%5BTitle%5D)+AND+%22Nuclear+Instruments+and+Methods+in+Physics+Research+Section+A%3A+Accelerators%2C+Spectrometers%2C+Detectors+and+Associated+Equipment%22%5BJournal%5D)">A new method to measure energy, direction, and polarization of gamma rays.</a> Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 260, 254-257 (1987).</li>
<li>Schoenfelder, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Instrument+description+and+performance+of+the+imaging+gamma-ray+telescope+COMPTEL+aboard+the+Compton+Gamma-ray+Observatory%5BTitle%5D)+AND+%22The+Astrophysical+Journal+Supplement+Series%22%5BJournal%5D)">Instrument description and performance of the imaging gamma-ray telescope COMPTEL aboard the Compton Gamma-ray Observatory.</a> The Astrophysical Journal Supplement Series. 86, 657-692 (1993).</li>
<li>Suzuki, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+and+multienergy+gamma-ray+simultaneous+imaging+by+Using+a+Si%2FCdTe+compton+camera%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional and multienergy gamma-ray simultaneous imaging by Using a Si/CdTe compton camera.</a> Radiology. 267, 941-947 (2013).</li>
<li>Kataoka, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+progress+of+MPPC-based+scintillation+detectors+in+high+precision+X-ray+and+Gamma-ray+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Nuclear+Instruments+and+Methods+in+Physics+Research+Section+A%3A+Accelerators%2C+Spectrometers%2C+Detectors+and+Associated+Equipment%22%5BJournal%5D)">Recent progress of MPPC-based scintillation detectors in high precision X-ray and Gamma-ray imaging.</a> Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 784, 248-254 (2015).</li>
<li>Tanimori, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Establishment+of+imaging+spectroscopy+of+nuclear+gamma-rays+based+on+geometrical+optics%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Establishment of imaging spectroscopy of nuclear gamma-rays based on geometrical optics.</a> Scientific Reports. 7, 41511(2017).</li>
<li>Sakai, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+simultaneous+imaging+with+99mTc+and+18F+using+a+Compton+camera%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+%26+Biology%22%5BJournal%5D)">In vivo simultaneous imaging with 99mTc and 18F using a Compton camera.</a> Physics in Medicine & Biology. 63, 205006(2018).</li>
<li>Koide, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Precision+imaging+of+4.4+MeV+gamma+rays+using+a+3-D+position+sensitive+Compton+camera%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Precision imaging of 4.4 MeV gamma rays using a 3-D position sensitive Compton camera.</a> Scientific Reports. 8, 8116(2018).</li>
<li>Nagao, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Astatine-211+imaging+by+a+Compton+camera+for+targeted+radiotherapy%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Radiation+and+Isotopes%22%5BJournal%5D)">Astatine-211 imaging by a Compton camera for targeted radiotherapy.</a> Applied Radiation and Isotopes. 139, 238-243 (2018).</li>
<li>Draeger, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+prompt+gamma+imaging+for+proton+beam+range+verification%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+%26+Biology%22%5BJournal%5D)">3D prompt gamma imaging for proton beam range verification.</a> Physics in Medicine & Biology. 63, 35019(2018).</li>
<li>Uenomachi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Double+photon+emission+coincidence+imaging+with+GAGG-SiPM+Compton+camera%5BTitle%5D)+AND+%22Nuclear+Instruments+and+Methods+in+Physics+Research+Section+A%3A+Accelerators%2C+Spectrometers%2C+Detectors+and+Associated+Equipment%22%5BJournal%5D)">Double photon emission coincidence imaging with GAGG-SiPM Compton camera.</a> Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. , in press (2019).</li>
<li>Nakano, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+of+99mTc-DMSA+and+18F-FDG+in+Humans+Using+a+Si%2FCdTe+Compton+Camera%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+%26+Biology%22%5BJournal%5D)">Imaging of 99mTc-DMSA and 18F-FDG in Humans Using a Si/CdTe Compton Camera.</a> Physics in Medicine & Biology. , in press (2019).</li>
<li>Lee, W., Lee, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((4+pi+FOV+compact+Compton+camera+for+nuclear+material+investigations%5BTitle%5D)+AND+%22Nuclear+Instruments+and+Methods+in+Physics+Research+Section+A%3A+Accelerators%2C+Spectrometers%2C+Detectors+and+Associated+Equipment%22%5BJournal%5D)">4 pi FOV compact Compton camera for nuclear material investigations.</a> Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 652, 33-36 (2011).</li>
<li>Yamaya, T., et al. Concrete realization of the whole gamma imaging concept. Proceedings of 2017 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC). , (2017).</li>
<li>Parra, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reconstruction+of+cone-beam+projections+from+Compton+scattered+data%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Nuclear+Science%22%5BJournal%5D)">Reconstruction of cone-beam projections from Compton scattered data.</a> IEEE Transactions on Nuclear Science. 47, 1543-1550 (2000).</li>
<li>Xu, D., He, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Filtered+Back-Projection+in+4pi+Compton+Imaging+with+a+Single+3D+Position+Sensitive+CdZnTe+Detector%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Nuclear+Science%22%5BJournal%5D)">Filtered Back-Projection in 4pi Compton Imaging with a Single 3D Position Sensitive CdZnTe Detector.</a> IEEE Transactions on Nuclear Science. 53, 2787-2795 (2006).</li>
<li>Wilderman, S., Clinthorne, N., Fessler, J., Rogers, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((List-mode+maximum+likelihood+reconstruction+of+Compton+scatter+camera+images+in+nuclear+medicine%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+IEEE+Nuclear+Science+Symposium%22%5BJournal%5D)">List-mode maximum likelihood reconstruction of Compton scatter camera images in nuclear medicine.</a> Proceedings of IEEE Nuclear Science Symposium. 3, 1716-1720 (1998).</li>
<li>Watanabe, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+an+omnidirectional+gamma-ray+imaging+Compton+camera+for+low-radiation-level+environmental+monitoring%5BTitle%5D)+AND+%22Japanese+Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Development of an omnidirectional gamma-ray imaging Compton camera for low-radiation-level environmental monitoring.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 57, 026401(2018).</li>
<li>Kagaya, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+a+low-cost-high-sensitivity+Compton+camera+using+CsI%28Tl%29+scintillators+%28%CE%B3I%29%5BTitle%5D)+AND+%22Nuclear+Instruments+and+Methods+in+Physics+Research+Section+A%3A+Accelerators%2C+Spectrometers%2C+Detectors+and+Associated+Equipment%22%5BJournal%5D)">Development of a low-cost-high-sensitivity Compton camera using CsI(Tl) scintillators (γI).</a> Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 804, 25-32 (2015).</li>
<li>Muraishi, H., Kagaya, M., Katagiri, H., Takeda, T., Watanabe, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Proposal+of+a+new+image+reconstruction+technique+for+the+Compton+camera%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Japan+Academy+of+Health+Science%22%5BJournal%5D)">Proposal of a new image reconstruction technique for the Compton camera.</a> The Journal of Japan Academy of Health Science. 17, 159-164 (2014).</li>
<li>Katagiri, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+an+all-sky+gamma-ray+Compton+camera+based+on+scintillators+for+high-dose+environments%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Development of an all-sky gamma-ray Compton camera based on scintillators for high-dose environments.</a> Journal of Nuclear Science and Technology. 55, 1172-1179 (2018).</li>
<li>Watanabe, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Remote+measurement+of+urinary+radioactivity+in+18F-FDG+PET+patients+using+Compton+camera+for+accuracy+evaluation+of+standardized+uptake+value%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Physics+%26+Engineering+Express%22%5BJournal%5D)">Remote measurement of urinary radioactivity in 18F-FDG PET patients using Compton camera for accuracy evaluation of standardized uptake value.</a> Biomedical Physics & Engineering Express. 4, 065029(2018).</li>
<li>Uchida, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hardware-based+TCP+processor+for+gigabit+ethernet%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Nuclear+Science%22%5BJournal%5D)">Hardware-based TCP processor for gigabit ethernet.</a> IEEE Transactions on Nuclear Science. 55, 1631-1637 (2008).</li>
<li>Brun, R., Redemakers, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ROOT+-+An+Object-Oriented+Data+Analysis+Framework%5BTitle%5D)+AND+%22Nuclear+Instruments+and+Methods+in+Physics+Research+Section+A%3A+Accelerators%2C+Spectrometers%2C+Detectors+and+Associated+Equipment%22%5BJournal%5D)">ROOT - An Object-Oriented Data Analysis Framework.</a> Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 389, 81-86 (1997).</li>
<li>Tomono, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((First+on-site+true+gamma-ray+imaging-spectroscopy+of+contamination+near+Fukushima+plant%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">First on-site true gamma-ray imaging-spectroscopy of contamination near Fukushima plant.</a> Scientific Reports. 7, 41972(2017).</li>
<li>Kataoka, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultracompact+Compton+camera+for+innovative+gamma-ray+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Nuclear+Instruments+and+Methods+in+Physics+Research+Section+A%3A+Accelerators%2C+Spectrometers%2C+Detectors+and+Associated+Equipment%22%5BJournal%5D)">Ultracompact Compton camera for innovative gamma-ray imaging.</a> Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 912, 1-5 (2018).</li>
<li>Wahl, C. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Polaris-H+imaging+spectrometer%5BTitle%5D)+AND+%22Nuclear+Instruments+and+Methods+in+Physics+Research+Section+A%3A+Accelerators%2C+Spectrometers%2C+Detectors+and+Associated+Equipment%22%5BJournal%5D)">The Polaris-H imaging spectrometer.</a> Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 784, 377-381 (2015).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Presentamos tres protocolos experimentales para visualizar varias fuentes de radiación gamma de bajo nivel utilizando la cámara omnidireccional Compton que desarrollamos. Los resultados representativos demostraron que las imágenes de rayos gamma a niveles bajos de radiación permiten la derivación de información novedosa y útil sobre el entorno circundante. En la instalación de RI, el protocolo reveló que nuestro sistema de cámaras Compton descubre con éxito la posición de la fuente de rayos gamma, así como la tasa de conteo en la posición dada en relación con la fuente. Esto significa que el método propuesto puede servir como una tecnología de próxima generación para el monitoreo de radiación ambiental, reemplazando los monitores de tasa de dosis estacionarias convencionales ya montados en las paredes de casi cualquier instalación de RI. En este artículo, representamos la intensidad de los rayos gamma como un campo rojo que mapea la región experimentando intensidades en la mitad superior de los valores observados(Figura 3, Figura 5y Figura 6),con el fin de adaptarse a varios propósitos sin sesgo. Un enfoque que más bien dé prioridad a una intensidad máxima, en lugar de a la distribución de fuentes de rayos gamma, adoptaría un rango más estrecho del campo rojo, tal vez el cuarto superior de los valores observados, con el fin de permitir los hallazgos de directivas en plazos más cortos. De hecho, en la Figura 3c, la dirección del pico podría identificarse con un tiempo de medición de 30 s para el caso (i) como se muestra en la Figura 4,para la que la intensidad de la posición máxima era de alrededor de 20 recuentos.
En cuanto al monitoreo ambiental en la instalación de PET, el protocolo demostró la posibilidad de visualizar el movimiento de radiactividad a través de la instalación, que en este caso se considera el movimiento de un paciente inyectado con 18F-FDG. En la Figura 5d,e, la dirección del paciente se puede identificar en menos de 10 s mediante la adopción del rango de campo rojo más estrecho como se mencionó anteriormente. En el futuro, el seguimiento ambiental de las fuentes de rayos gamma mediante animación sería útil para diversas situaciones, no sólo para el movimiento de los pacientes como en este estudio, sino también para el seguimiento de la transferencia de materiales de combustible nuclear como en los aeropuertos con fines de terrorismo, aprovechando las características de alta sensibilidad y bajo costo del sistema, aunque la resolución energética de un sistema que utiliza un centelleador es inferior a la de los detectores de semiconductores más caros, (HPGe) y CdZnTe (CZT).
En el campo de Fukushima, el protocolo visualizó con éxito la fuente de radiación gamma extendida con tasas de dosis superficiales de mucho menos de 1 Sv/h, lo que es un orden de magnitud inferior al de un informe reciente25,26. Nuestro sistema de cámaras Compton fue capaz de funcionar de forma estable y robusta para la medición al aire libre. Ya hemos confirmado que el sistema se puede operar mediante el uso de WiFi y batería portátil para un uso más conveniente en varias situaciones, especialmente para la medición al aire libre. El Ministerio de Medio Ambiente de Japón ha fijado la tasa de dosis de aire como mínimo en 0,23 sv/h para designar las zonas que se van a descontaminar. Creemos que nuestro sistema y protocolos serán de gran ayuda para el procedimiento de descontaminación en zonas de contaminación radiactiva de bajo nivel en amplias zonas del este de Japón donde el cesio radiactivo fue liberado por el accidente de la central nuclear de Fukushima Daiichi en 2011.
La cámara Compton utilizada en este estudio tiene alta sensibilidad para los rayos gamma con energías entre 300 keV y 1400 keV, atribuible al uso de 3,5 cm CsI (Tl) cubos de centelleador18. El tipo y tamaño del escintillador se pueden optimizar para el monitoreo ambiental de fuentes de radiación gamma de bajo nivel por debajo de 300 keV, como 99mTc (141 keV) y 111In (171 keV, 245 keV), que se utilizan con frecuencia en la centellografía. Este trabajo se presentará en otro documento en un futuro próximo. El detector se puede fabricar a un precio bajo. De hecho, el costo de los materiales detectores utilizados en este estudio no fue superior a $20,000, y esta cantidad estaba dominada por el precio del contador que consistía en CSI (Tl) y PMT; esta configuración es significativamente menos costosa que los centelleadores GAGG y los detectores de semiconductores HPGe que se utilizan en otras cámaras Compton. Además, el sistema utilizado en este estudio debe hacerse más compacto en aras de la versatilidad y la conveniencia. El tamaño del sistema producido en este estudio fue de 30 cm x 25 cm x 40 cm, que es más grande que la cámara gamma portátil existente5,27. Las principales razones de un tamaño de sistema tan grande son el gran tamaño de la PMT unida a CsI (Tl) (4 cm x 12 cm) y la electrónica grande hecha a mano por nosotros. En el futuro, se mejorará la portabilidad reemplazando el PMT por un paquete metálico PMT o Silicon Photomultiplier (SiPM), así como reempaquetando la electrónica a tamaño pequeño.

Las instalaciones médicas albergan varias fuentes de radiación gamma de bajo nivel con una tasa de dosis de superficie y/o aire de sólo unos pocos Sv/h. Estas fuentes también están presentes en amplias zonas del este de Japón que presentan contaminación radiactiva de bajo nivel por cesio radiactivo del accidente de la central nuclear de Fukushima Daiichi en 2011. Estos entornos a veces exponen a los trabajadores al límite de exposición a la irradiación externa para el cuerpo humano para la población en general, según lo aconsejado por la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP): 1 mSv/año (por ejemplo, 1 sv/h durante 4 h al día, 250 días al año)1. Si las fuentes de radiación se visualizan con más de unos pocos metros de antelación en escalas de tiempo cortas, la cantidad de exposición a la radiación puede reducirse. Una de las mejores soluciones para visualizar estas fuentes de radiación gamma es adoptar una técnica de cámara Compton de imágenes de rayos gamma2. En esta técnica, la energía y la dirección del cono de los rayos gamma incidentes emitidos por la fuente de radiación son medidos por el detector para cada evento, y luego la dirección de la fuente de rayos gamma se puede reconstruir mediante la proyección posterior3. Estudios anteriores han desarrollado sistemas de cámaras Compton destinados a la aplicación de un nuevo dispositivo de diagnóstico en medicina nuclear y/o un nuevo telescopio de rayos gamma en astrofísica4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, así como técnicas de reconstrucción de imágenes para datos de cono Compton por enfoques analíticos15,16 yestadísticos 17. Los dispositivos más caros y de última generación con electrónica complicada a menudo se adoptan para obtener una alta resolución angular dentro de una desviación estándar de unos pocos grados, pero esta precisión hace que sea difícil lograr simultáneamente una alta eficiencia de detección.
Recientemente, hemos propuesto y desarrollado una cámara Compton de imágenes de rayos gamma omnidireccionalde de bajo costo, alta sensibilidad y omnidireccional18,basada en una doble coincidencia dentro de una serie de centelleadores independientes que actúan como dispersadores o absorbentes19. El objetivo de esta técnica es lograr fácilmente una alta eficiencia de detección con una resolución angular de 10 grados o menos, que es adecuada para un monitor ambiental. Esto se logra mediante la aplicación de una técnica de afilado de imágenes18,20 basada en el algoritmo de proyección posterior filtrada, que aplica un filtro de convolución utilizado en la reconstrucción de imágenes para la tomografía computarizada a la reconstrucción de Compton. Además, la eficiencia de detección, la resolución angular y el rango dinámico del detector se pueden optimizar fácilmente cuando el tipo, tamaño y disposición de los centelleadores se coordinan de acuerdo con un propósito particular, como el uso en entornos que emiten radiactividad elevada21,22.
En este estudio, presentamos protocolos experimentales para varios ensayos para visualizar fuentes de radiación de rayos gamma de bajo nivel utilizando esta técnica omnidireccional de cámara Compton en una instalación de radioisótopos (RI), una instalación de tomografía por emisión de positrones (PET) y el campo de Fukushima. Preparamos y utilizamos la cámara Compton de imágenes de rayos gamma omnidireccional desarrollada previamente por nosotrosmismos 18 pero con algunas mejoras, con el fin de lograr una mayor eficiencia de detección. La Figura 1 muestra una vista esquemática de la disposición de los centelleadores CsI(Tl) de once elementos utilizados en este estudio. Los once contadores constan de dos capas; dos contadores en el centro y nueve contadores en un medio círculo, considerando configuraciones de dispersión hacia adelante y hacia atrás. Cada cubo de centelleador CsI(Tl) de 3,5 cm fue leído con tubos fotomultiplicadores super-bialkali (PMT). Las señales se alimentaban en una placa ADC flash con tecnología SiTCP23 y el front-end estaba conectado a un PC a través de Ethernet. Un programa en línea creado con Visual C++ con la biblioteca ROOT24 fue operado en un PC con Windows. Una imagen de rayos gamma fue reconstruida y afilada18,20 en una superficie esférica con anillos de acumulación con un radio de o lo que es un ángulo de dispersión calculado a partir de la cinemática de Compton para cada evento de coincidencia doble. Una imagen de rayos gamma omnidireccional se puede mostrar tanto en línea como fuera de línea por superposición en la imagen óptica omnidireccional previamente tomada por una cámara digital. Durante la medición, la tasa de disparo, el espectro de energía total (la suma de los depósitos de energía para cada evento de coincidencia doble) y las imágenes reconstruidas de una energía de rayos gamma preestablecida se pueden mostrar en la pantalla del PC en línea. Esta información se puede actualizar en un intervalo de tiempo preestablecido (por ejemplo, cada 10 s). Aquí, configuramos la pantalla para mostrar dos tipos de imágenes reconstruidas: una imagen que se acumula al inicio de la medición y una imagen reacumulada en cada intervalo de tiempo preestablecido (por ejemplo, cada 1 minuto). Además, dado que se almacenan los datos sin procesar para cada evento obtenido mediante las mediciones, es posible volver a analizar los datos después de las mediciones y luego regenerar una imagen reconstruida para una energía de rayos gamma arbitraria en un intervalo de tiempo arbitrario. La Tabla 1 muestra el rendimiento del sistema de cámaras Compton utilizado en este estudio, en comparación con el sistema de seis contadores anterior18. La comparación reveló que una fuente de rayos gamma sub-MeV se visualizó con éxito con una eficiencia de detección del doble que el sistema anterior, manteniendo la resolución angular de 11 grados. También confirmamos que la dependencia angular de la aceptación se mantuvo al mínimo, mostrando diferencias de s a 4%. Los detalles sobre las técnicas fundamentales del sistema se describen en Watanabe et al. (2018)18. Aquí presentamos tres protocolos experimentales para visualizar varias fuentes de radiación de rayos gamma de bajo nivel utilizando la cámara Compton descrita anteriormente.

<table><tbody><tr><td>Cámara</td><td></td><td></td> Compton <td></td></tr><tr><td>Monitor de tasa de dosis</td> hecho a medida <td>Hitachi, Ltd.</td><td>DAM-1102</td><td></td></tr><tr><td>Tablero Flash ADC</td><td>Bee Beans Technologies Co., Ltd.</td><td>BBT-019</td><td></td></tr><tr><td>PC</td><td>Panasonic Corporation</td><td>CF-SZ6</td><td></td></tr><tr><td>Tubo fotomultiplicador</td><td>Hamamatsu Photonics K.K.</td><td>H11432-100</td><td></td></tr><tr><td>Medidor topográfico</td><td>Fuji Electric Co., Ltd.</td><td>NHC7</td><td></td></tr></tbody></table>

visualización de fuentes de radiación gamma de bajo nivel utilizando una cámara compton omnidireccional de bajo costo y alta sensibilidad

Visualization of Low-Level Gamma Radiation Sources Using a Low-Cost, High-Sensitivity, Omnidirectional Compton Camera

Presentamos protocolos experimentales para visualizar varias fuentes de radiación gamma de bajo nivel en el entorno ambiente. Los experimentos se llevaron a cabo utilizando una cámara Compton de imágenes de rayos gamma omnidireccional de bajo costo y alta sensibilidad. En el laboratorio, la posición de una fuente de radiación gamma sub-MeV como 137Cs puede ser fácilmente monitoreada a través de imágenes de rayos gamma omnidireccionales obtenidas por la cámara Compton. Por el contrario, un monitor de velocidad de dosis estacionario montado en la pared no siempre puede controlar con éxito dicha fuente. Además, demostramos con éxito la posibilidad de visualizar el movimiento de radiactividad en el medio ambiente, por ejemplo, el movimiento de un paciente inyectado con 18F-fluorodeoxiglucosa (18F-FDG) en una instalación de medicina nuclear. En el campo de Fukushima, obtenemos fácilmente imágenes de rayos gamma omnidireccionales relacionadas con la distribución en el terreno de contaminación radiactiva de bajo nivel por cesio radiactivo liberado por el accidente de la central nuclear de Fukushima Daiichi en 2011. Demostramos claras ventajas de usar nuestro procedimiento con esta cámara para visualizar fuentes de rayos gamma. Nuestros protocolos se pueden utilizar para descubrir fuentes de radiación gamma de bajo nivel, en lugar de monitores de velocidad de dosis estacionarias y/o medidores de topografía portátiles utilizados convencionalmente.

Monitoreo de fuente de radiación sellada en sala de experimentos en las instalaciones de RI La Figura 3a muestra la variación de tiempo de la velocidad de disparo medida por la cámara Compton (línea sólida negra), después de aplicar una selección de tiempo-retraso de contadores de dos golpes inferiores a 1 s. La velocidad de disparo cambia cada 30 minutos dependiendo de la posición de la fuente sellada (es decir, la distancia desde la posición a la cámara). Esta variación se confirmó a partir de los datos medidos por el monitor de velocidad de dosis estacionaria (línea discontinua azul); el comportamiento se mantuvo constante (es decir, nivel de fondo) distinto de entre 5750 s y 7800 s. Aquí, establecemos tentativamente cinco períodos etiquetados (i), (ii), (iii), iv) y (v), que representan las cinco posiciones de la fuente sellada(Figura 3a). La Figura 3b muestra los espectros de energía total para cada uno de esos períodos (30 min para cada uno), el eje horizontal que representa la suma de los depósitos de energía para cada evento de coincidencia doble. Observamos 662 picos de fotoabsorción de keV procedentes de la fuente sellada 137Cs para (i), ii), (iii) y iv), mientras que (v) solo muestra los niveles de fondo. Las alturas máximas para (ii) y (iii) son las mismas, que atribuimos a la misma distancia de 6,7 m desde la cámara hasta la fuente sellada. Al seleccionar el evento dentro de 662-40 keV para 662 keV, calculamos los ángulos de dispersión y reconstruimos la imagen omnidireccional de rayos gamma. Los resultados se muestran en las figuras 3c-f, respectivamente, para los períodos i), ii), iii) y iv). Aquí las imágenes de rayos gamma están indicadas por la región roja, que indica intensidades de rayos gamma en la mitad superior del rango observado. Encontramos que la posición de la fuente sellada 137Cs se puede identificar con éxito a partir de las imágenes de rayos gamma. La Figura 4 muestra los cambios en la imagen con el tiempo de integración, donde el campo rojo en su lugar corresponde a un rango más estrecho (el 30% superior) del rango observado. Este rango más estrecho se adoptó con el fin de dar prioridad a una intensidad máxima. En este caso, la dirección de origen de 137Cs podría identificarse después de 30 s.
Monitoreo ambiental en instalaciones de PET La Figura 5a muestra la variación de tiempo total de la tasa de disparo durante el día (5,6 h) medida por la cámara Compton (línea negra) frente a un mostrador de recepción en una instalación PET. Observamos una mejora notable en la tasa de activación con varios patrones, que podría atribuirse al movimiento de pacientes inyectados con 18F-fluorodeoxiglucosa (18F-FDG) alrededor de la recepción. Como ejemplo de estos patrones, nos centramos en el período de 6200 s a 7000 s. De acuerdo con la tasa de activación en este período que se muestra en la Figura 5b, una serie de mejoras son evidentes, con dos mesetas etiquetadas (i) y ii). La Figura 5c muestra los espectros de energía total para la Figura 5b's períodos (i), ii) y (iii). Observamos 511 picos de fotoabsorción de keV procedentes del 18F-FDG. La Figura 5d,e muestra la imagen omnidireccional de rayos gamma de 511 keV en períodos (i) y (ii), respectivamente, en los que seleccionamos eventos dentro de 511-40 keV para la reconstrucción de la imagen. Las direcciones de los picos de rayos gamma en ambas figuras corresponden respectivamente a las direcciones del sofá y al baño detrás de la pared. Teniendo en cuenta las tasas de disparo de ambos (i) y (ii), interpretamos los rayos gamma en (i) como fugas penetrando el escudo de la pared desde el baño; suponemos que un paciente entró en el baño y pasó dos minutos, y después de eso se sentó en el sofá unos minutos antes de la tomografía por emisión de arena.
Medición al aire libre en Kawamata-machi, Fukushima, Japón La Figura 6a muestra la variación de tiempo de la velocidad de disparo durante 30 minutos de medición al aire libre. La estabilidad de la velocidad de disparo implica que nuestro sistema de cámara Compton funciona de forma estable incluso para las mediciones realizadas al aire libre durante un largo período. Para demostrar cómo se reconstruyó la fuente de rayos gamma extendida, establecemos cuatro períodos de integración diferentes etiquetados (i) (1 min), ii) (10 min), (iii) (20 min) y (iv) (30 min), como se muestra en la Figura 6a. La Figura 6b muestra los espectros de energía total para cada período, que representan las estructuras superpuestas en los picos de fotoabsorción de rayos gamma emitidos por nucleidos radiactivos a 605 keV y 796 keV para 134C y 662 keV para 137Cs. Para reconstruir la imagen de rayos gamma, seleccionamos eventos dentro de 565-622 keV para 605 keV, 662-40 keV para 662 keV y 796-40 keV para 796 keV. Las imágenes omnidireccionales de rayos gamma para 605, 662 y 796 keV se muestran en las figuras 6c-f para los períodos de integración (i), ii), (iii) y (iv), respectivamente. En este caso, encontramos que la distribución de rayos gamma reconstruida es estable siempre y cuando el tiempo de integración supere los 20 min. La pendiente de una colina en la parte delantera y la parte inferior de la alcantarilla de lluvia están claramente contaminadas, mientras que el área cubierta con suelo no contaminado en la parte derecha de la imagen no está contaminada demostrablemente. La intensidad de los rayos gamma está en buen acuerdo con los valores de la tasa de dosis medidos por un medidor topográfico de tipo centelleo, cuyos valores se muestran en amarillo en la Figura 6f.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig1.jpg"> Figura 1: Sistema de cámara Compton de imágenes de rayos gamma omnidireccionales. (a) Disposición geométrica de centelleantes con once elementos utilizados en este estudio. Dos centelleantes estaban dispuestos en el centro de un círculo, con nueve más dispuestos en un medio círculo, escalonados verticalmente. (b) Fotografía del detector sin carcasa. Los contadores se fijaban dentro de un poliestireno expandido. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig1alarge.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig2.jpg"> Figura 2: Configuración experimental. a Monitoreo de una fuente de radiación sellada en la sala de experimentos de la instalación de RI, donde se estableció secuencialmente una fuente sellada de 137Cs en las posiciones denominadas 'A', 'B', 'C' y 'D'. (b) Monitoreo ambiental frente a una recepción en las instalaciones de PET. c Medición al aire libre en el campo de Fukushima, Japón. La cámara Compton estaba arreglada en una escalera. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig2alarge.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig3.jpg"> Figura 3: Resultados representativos de la supervisión de una fuente sellada de 137Cs en la sala de experimentos. (a) Variación de tiempo de la velocidad de disparo medida por la cámara Compton (línea sólida negra) y de la velocidad de dosis de aire medida por el monitor de velocidad de dosis estacionaria (línea discontinua azul). (b) Espectros de energía totales (la suma de los depósitos de energía para cada evento de coincidencia doble) en la Figura 3a's períodos (i) (línea roja), ii) (línea azul), (iii) (línea verde), (iv) (línea rosa) y (v) (línea negra), con el resultado de (iv) se escaló en 0,15. (c) 662 keV imagen omnidireccional de rayos gamma superpuesta a la imagen óptica en el período (i) (30 min). El campo rojo indica intensidades de rayos gamma en la mitad superior del rango observado. (d) Igual que (c) pero para el período ii) (30 min). (e) Igual que (c) pero para el período iii) (30 min). (f) Igual que (c) pero para el período iv) (30 min). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig4.jpg"> Figura 4: Igual que la Figura 3c, pero con varios tiempos de medición: 3 s, 5 s, 10 s, 15 s, 30 s y 60 s. Aquí las imágenes de rayos gamma se identifican por la región roja, que indica intensidades de rayos gamma en el 30% superior del rango observado. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig5.jpg"> Figura 5: Resultados representativos de la vigilancia ambiental frente a una recepción en las instalaciones de PET. (a) Variación de tiempo de la velocidad de disparo medida por la cámara Compton (línea negra) durante el día (5,6 h). (b) Tasa de activación detallada para un período comprendido entre 6200 s y 7000 s en a). (c) Espectros de energía totales para la Figura 4bperíodos (i) (línea roja), ii) (línea azul) y iii) (línea negra). (d) Imagen omnidireccional de rayos gamma de 511 keV superpuesta en la imagen óptica durante el período (i) (2 min). (e) Igual que (d) pero para el período ii) (2 min). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig6.jpg"> Figura 6: Resultados representativos de la medición al aire libre en Kawamata-machi, Fukushima, Japón. (a) Variación de tiempo de la velocidad de disparo medida por la cámara Compton (línea sólida negra). (b) Espectros de energía totales para la Figura 5a 's períodos (i) 1 min (línea azul), (ii) 10 min (línea verde), (iii) 20 min (línea roja) y (iv) 30 min (línea negra). (c) Imagen omnidireccional de 605, 662 y 796 rayos gamma de keV superpuestos en la imagen óptica durante el período (i) (1 min). (d) Igual que (c) pero para el período ii) (10 min). (e) Igual que (c) pero para el período iii) (20 min). (f) Igual que (c) pero para el período iv) (30 min). Los valores de la tasa de dosis medidos por un medidor topográfico de tipo centelleo a una altura de 1 cm del suelo se muestran en las cifras para su comparación. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td></td>
			<td>Este estudio</td>
			<td>Estudio anterior18</td>
		</tr>
<tr>
<td>Número de contadores</td>
			<td>11</td>
			<td>6</td>
		</tr>
<tr>
<td>Eficiencia de detección (cps/(Sv/h)) para rayos gamma de 511 keV</td>
			<td>36</td>
			<td>18</td>
		</tr>
<tr>
<td>Resolución angular (deg)*</td>
			<td>11</td>
			<td>11</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabla 1: Actuaciones de los sistemas de cámaracoco compton actuales y anteriores. *La resolución angular se estimó a partir de 511 imágenes de rayos gamma omnidireccionales keV obtenidas durante la medición de una fuente sellada de 22Na (0,8MBq) colocada 1 m por delante del detector.

Presentamos protocolos experimentales para visualizar varias fuentes de radiación gamma de bajo nivel en el entorno ambiente utilizando una cámara Compton de imágenes de rayos gamma omnidireccional de bajo costo y alta sensibilidad.

Visualización de fuentes de radiación gamma de bajo nivel utilizando una cámara Compton omnidireccional de bajo costo y alta sensibilidad

We present experimental protocols for visualizing various low-level gamma radiation sources in the ambient environment. Experiments were conducted by ...

Este método simple permite la visualización rápida de fuentes de radiación gamma de bajo nivel con superficie ambiental y, o tasas de dosis de aire a lo largo de unos pocos microsieverts por hora o menos. El detector es omnidireccional, altamente sensible, económico y portátil, y se puede utilizar para fuentes de radiación gamma de bajo nivel dentro de las instalaciones de RI, y fuera del pabellón alrededor de Fukushima. El método puede servir como una tecnología de próxima generación para el monitoreo de radiación ambiental, reemplazando los monitores de dosis estacionarias convencionales, actualmente en uso en instalaciones de RI en hospitales.Demostrando el procedimiento serán Nina Kuwata y Katsuki Kubayashi, estudiantes de mi laboratorio. Para el monitoreo de una fuente de radiación sellada dentro de una instalación de radioisótopos, ajuste la cámara Compton junto al monitor de dosis montado en la pared y mida la altura de los detectores desde el suelo. El monitor de dosis montado en la pared consta de una cámara de ionización de placa paralela y puede controlar constantemente la velocidad de dosis de aire de la posición en intervalos de un minuto.Encienda la cámara Compton con el ordenador en línea e inicie la medición simultánea con la cámara Compton y el monitor de dosis. Coloque una fuente sellada Cesium-137 en la posición A, a 3,6 metros de los detectores. Después de 30 minutos, mueva la fuente sellada a la posición B, a 6,7 metros de distancia de los detectores.Después de otros 30 minutos, mueva la fuente sellada a la posición C, a 6,7 metros de distancia de los detectores. Después de otros 30 minutos, mueva la fuente sellada a la posición D, a un metro de los detectores. Después de 30 minutos más, mueva la fuente sellada fuera de la habitación durante 30 minutos y detenga todas las mediciones.Para el monitoreo ambiental dentro de una instalación de PET, temprano en la mañana antes de que lleguen los pacientes, ponga la cámara Compton frente a la recepción en la instalación de PET y mida la altura de los detectores desde el suelo. Coloque la computadora en línea en la sala del personal y encienda la cámara y el ordenador. Cuando todos los materiales estén en su lugar, inicie las mediciones.Deje de monitorear después de que todos los pacientes se hayan ido por el día. Para la medición de radioisótopos en el exterior, coloque la cámara Compton cerca del edificio de interés, en la que se sospecha la existencia de algunos puntos críticos de Cesio radiológicos con tasas de dosis de servicio de un microsieverts por hora, o menos. Ajuste la altura de los detectores a 1,5 metros del suelo y encienda la cámara y el ordenador.A continuación, adquiera las mediciones de la cámara Compton durante 30 minutos. Aquí, se muestra la variación de tiempo de la velocidad de disparo medida por la cámara Compton en una instalación de radioisótopo, después de aplicar una selección de retraso de tiempo de dos contadores de cabeza de menos de un microsegundo. La velocidad de disparo cambia cada 30 minutos, dependiendo de la posición de la fuente sellada, como se confirma a partir de los datos medidos por el monitor de dosis estacionaria.Se establecieron cinco períodos para representar las cinco posiciones de la fuente sellada. Como se ilustra en estas imágenes omnidireccionales, durante los períodos uno a cuatro de monitoreo, la posición de la fuente sellada Cesio-137 se puede identificar con éxito a partir de las imágenes de rayos gamma mostradas en rojo. Las variaciones de tiempo generales de las tasas de activación medidas en una instalación de PET durante el día revelan una mejora notable en la tasa de disparo con varios patrones, que podría atribuirse al movimiento de pacientes inyectados con Fluorine-18 Fluorodeoxyglucosa alrededor de la recepción.Por ejemplo, centrándose en el período de 6, 200 a 7.000 segundos, una serie de mejoras con dos mesetas se hacen evidentes. En estas imágenes de la instalación, las direcciones de los picos de rayos gamma en ambas imágenes corresponden a las direcciones del sofá y el baño detrás de la pared. Teniendo en cuenta las tasas de activación de ambos períodos de monitoreo, es probable que un paciente entró en el baño durante dos minutos, y después, se sentó en el sofá durante unos minutos antes de la tomografía por emisión de posición médica.En la medición al aire libre en el campo de Fukushima, el protocolo revela que se pueden adquirir las imágenes de rayos gamma relativas a la distribución a nivel del suelo de la contaminación radiactiva de Cesio de bajo nivel. Nuestro procedimiento de descontaminación se puede utilizar en áreas con contaminación radiactiva de cesio de bajo nivel, liberada por el accidente de la central nuclear de Fukushima Daiichi, y mejoramos el actual sistema pet.

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