Method Article

Wizualizacja źródeł promieniowania gamma o niskim poziomie za pomocą taniej, dookólnej kamery Comptona o wysokiej czułości

DOI:

10.3791/60463

⸱

January 30th, 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Allied Health Sciences, Kitasato University, 2Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo, 3College of Science, Ibaraki University, 4National Institute of Technology, Sendai College, 5National Cancer Center Hospital East

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Prezentujemy eksperymentalne protokoły wizualizacji różnych źródeł promieniowania gamma o niskim poziomie w otoczeniu za pomocą taniej, wysokoczułej, dookólnej kamery Comptona do obrazowania promieniowania gamma.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Prezentujemy eksperymentalne protokoły wizualizacji różnych źródeł promieniowania gamma o niskim poziomie w otoczeniu. Eksperymenty przeprowadzono przy użyciu taniej, bardzo czułej, dookólnej kamery Comptona do obrazowania promieniowania gamma. W laboratorium położenie źródła promieniowania gamma o wartości poniżej MeV, takiego jak 137Cs, można łatwo monitorować za pomocą dookólnego obrazowania promieniowania gamma uzyskanego przez kamerę Comptona. Natomiast stacjonarny, montowany na ścianie monitor dawki nie zawsze może skutecznie monitorować takie źródło. Ponadto z powodzeniem zademonstrowaliśmy możliwość wizualizacji ruchu radioaktywności w środowisku, na przykład ruchu pacjenta, któremu wstrzyknięto 18F-fluorodeoksyglukozę (18F-FDG) w zakładzie medycyny nuklearnej. W polu Fukushima z łatwością uzyskaliśmy wielokierunkowe obrazy promieniowania gamma dotyczące rozkładu na ziemi niskiego poziomu skażenia radioaktywnego radioaktywnym radioaktywnym cezem uwolnionym w wyniku awarii elektrowni jądrowej Fukushima Daiichi w 2011 roku. Pokazujemy wyraźne korzyści płynące z zastosowania naszej procedury z tą kamerą do wizualizacji źródeł promieniowania gamma. Nasze protokoły mogą być dalej wykorzystywane do wykrywania źródeł promieniowania gamma o niskim poziomie, zamiast stacjonarnych monitorów dawki i/lub przenośnych mierników pomiarowych stosowanych konwencjonalnie.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Placówki medyczne posiadają różne źródła promieniowania gamma o niskiej dawce promieniowania powierzchniowego i/lub powietrza wynoszącej zaledwie kilka μSv/h. Takie źródła są również obecne na rozległych obszarach wschodniej Japonii, wykazując niski poziom skażenia radioaktywnego radioaktywnym cezem z awarii elektrowni jądrowej Fukushima Daiichi w 2011 roku. Środowiska te czasami narażają pracowników na limit narażenia na promieniowanie zewnętrzne dla organizmu ludzkiego dla ogółu populacji, zgodnie z zaleceniami Międzynarodowej Komisji Ochrony Radiologicznej (ICRP): 1 mSv/rok (np. 1 μSv/h przez 4 godziny dziennie, 250 dni w roku)1. Jeśli źródła promieniowania są wizualizowane z wyprzedzeniem większym niż kilka metrów w krótkich skalach czasowych, wielkość narażenia na promieniowanie może zostać zmniejszona. Jednym z najlepszych rozwiązań do wizualizacji tych źródeł promieniowania gamma jest zastosowanie techniki obrazowania promieniowania gamma za pomocą kamery Comptona2. W tej technice energia i kierunek stożka padającego promieniowania gamma emitowanego przez źródło promieniowania są mierzone przez detektor dla każdego zdarzenia, a następnie kierunek źródła promieniowania gamma można zrekonstruować za pomocą back-projection3. Wcześniejsze badania doprowadziły do opracowania systemów kamer Comptona, których celem jest zastosowanie nowego urządzenia diagnostycznego w medycynie nuklearnej i/lub nowego teleskopu promieniowania gamma w astrofizyce4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, a także techniki rekonstrukcji obrazu dla danych stożka Comptona za pomocą analytical15,16 i statistical17 zbliża się. Droższe, najnowocześniejsze urządzenia ze skomplikowaną elektroniką są często stosowane w celu uzyskania wysokiej rozdzielczości kątowej w zakresie odchylenia standardowego wynoszącego kilka stopni, ale ta precyzja utrudnia jednoczesne osiągnięcie wysokiej skuteczności wykrywania.

Ostatnio zaproponowaliśmy i opracowaliśmy tanią, bardzo czułą, dookólną kamerę Comptona do obrazowania promieniowania gamma18, opartą na podwójnej zbieżności między wieloma niezależnymi scyntylatorami, które działają albo jako rozpraszacze, albo absorbery19. Celem tej techniki jest łatwe osiągnięcie wysokiej skuteczności wykrywania przy rozdzielczości kątowej s ~10 stopni lub mniejszej, co jest odpowiednie dla monitora środowiskowego. Osiąga się to poprzez zastosowanie techniki wyostrzania obrazu18,20 w oparciu o filtrowany algorytm projekcji wstecznej, który stosuje filtr konwolucyjny używany w rekonstrukcji obrazu do tomografii komputerowej do rekonstrukcji Comptona. Ponadto skuteczność wykrywania, rozdzielczość kątową i zakres dynamiczny detektora można łatwo zoptymalizować, gdy typ, rozmiar i rozmieszczenie scyntylatorów są skoordynowane zgodnie z określonym celem, takim jak zastosowanie w środowiskach emitujących podwyższoną radioaktywność21,22.

W tym badaniu prezentujemy eksperymentalne protokoły dla różnych prób wizualizacji źródeł promieniowania gamma o niskim poziomie za pomocą tej techniki wielokierunkowej kamery Comptona w ośrodku radioizotopowym (RI), pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) i polu Fukushima. Przygotowaliśmy i wykorzystaliśmy dookólną kamerę Compton do obrazowania promieniowania gamma, wcześniej opracowaną przez nas samych18, ale z pewnymi ulepszeniami, w celu osiągnięcia wyższej skuteczności wykrywania. Rysunek 1 pokazuje schematyczny widok rozmieszczenia scyntylatorów CsI(Tl) jedenastu elementów użytych w tym badaniu. Jedenaście liczników składa się z dwóch warstw; Dwa liczniki w środku i dziewięć liczników w półokręgu, z uwzględnieniem konfiguracji rozpraszania do przodu i do tyłu. Każda kostka scyntylatora CsI(Tl) o średnicy 3,5 cm została odczytana za pomocą superbialkalicznych fotopowielaczy (PMT). Sygnały były wprowadzane do płytki ADC flash z technologią SiTCP23, a interfejs użytkownika był podłączony do komputera PC przez Ethernet. Program online stworzony przy użyciu Visual C++ z ROOT library24 był obsługiwany na komputerze z systemem Windows. Obraz promieniowania gamma został zrekonstruowany i wyostrzony18,20 na powierzchni sferycznej z akumulującymi się pierścieniami o promieniu θ, czyli kącie rozpraszania obliczonym na podstawie kinematyki Comptona dla każdego zdarzenia podwójnej koincydencji. Dookólny obraz gamma może być wyświetlany zarówno w trybie online, jak i offline poprzez nałożenie na dookólny obraz optyczny wykonany wcześniej przez kamerę cyfrową. Podczas pomiaru, szybkość wyzwalania, całkowite widmo energii (suma depozytów energii dla każdego dwukrotnego zdarzenia koincydencji) oraz zrekonstruowane obrazy zaprogramowanej energii promieniowania gamma mogą być wyświetlane na ekranie komputera online. Informacje te mogą być aktualizowane w ustalonych odstępach czasu (np. co 10 sekund). W tym przypadku ustawiamy ekran tak, aby wyświetlał dwa rodzaje zrekonstruowanych obrazów: obraz, który jest akumulowany na początku pomiaru oraz obraz reakuowany w każdym ustalonym interwale czasu (np. co 1 minutę). Ponadto, ponieważ przechowywane są surowe dane dla każdego zdarzenia uzyskane za pomocą pomiarów, możliwa jest ponowna analiza danych po pomiarach, a następnie regeneracja zrekonstruowanego obrazu dla dowolnej energii promieniowania gamma w dowolnym przedziale czasowym. Tabela 1 przedstawia wydajność systemu kamer Comptona użytego w tym badaniu, w porównaniu z poprzednim systemem z sześcioma licznikami18. Porównanie wykazało, że źródło promieniowania gamma o wartości poniżej MeV zostało pomyślnie zobrazowane ze skutecznością wykrywania dwukrotnie większą niż w poprzednim systemie, przy zachowaniu rozdzielczości kątowej s wynoszącej ~11 stopni. Potwierdziliśmy również, że zależność kątowa akceptacji została ograniczona do minimum, wykazując różnice na poziomie s ~ 4%. Szczegółowe informacje na temat podstawowych technik systemu opisano w Watanabe et al. (2018)18. W tym miejscu przedstawiamy trzy eksperymentalne protokoły wizualizacji różnych źródeł promieniowania gamma o niskim poziomie za pomocą kamery Comptona opisanej powyżej.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Protokół został przeprowadzony zgodnie z wytycznymi komisji etyki badań w National Cancer Center Hospital East, Japonia.

1. Monitorowanie zamkniętego źródła promieniowania w pomieszczeniu eksperymentalnym w obiekcie RI

  1. Ustaw kamerę Comptona obok monitora dawki tak, jak pokazano na Rysunek 2a. Ustaw wysokość czujników od ziemi na 2,5 m. Wbuduj monitor dawki dawki, który składa się z równoległej płytki komory jonizacyjnej, w górnej części wejścia do pomieszczenia doświadczalnego w obiekcie RI, aby monitorować szybkość dawki powietrza w danym stanowisku w odstępach 1 minut.
  2. Włącz zasilanie aparatu Compton i komputera online.
  3. Rozpocznij jednoczesny pomiar za pomocą kamery Comptona i monitora dawki
    4. .
  4. Ustaw uszczelnione źródło 137Cs (3.85 MBq) w miejscu oznaczonym 'A' w Rysunek 2a i pozostaw je na 30 min. Ustaw odległość między detektorem a zamkniętym źródłem na 3.6 m.
  5. Przesuń uszczelnione źródło do pozycji oznaczonej "B" i pozostaw je na 30 minut. Ustaw odległość między detektorem a uszczelnionym źródłem na 6.7 m.
  6. Przesuń uszczelnione źródło w pozycję oznaczoną "C" i pozostaw je na 30 minut. Ustaw odległość między detektorem a uszczelnionym źródłem na 6.7 m.
  7. Przesuń uszczelnione źródło w pozycję oznaczoną "D" i pozostaw je na 30 minut. Ustaw odległość między detektorem a uszczelnionym źródłem na 1 m.
  8. Przenieś uszczelnione źródło na zewnątrz pomieszczenia. Po 30 minutach przerwij wszystkie pomiary.

2. Monitoring środowiska w obiekcie PET

  1. Ustaw kamerę Comptona przed ladą recepcyjną w obiekcie PET, jak pokazano na Rysunek 2b. Ustaw wysokość czujników od ziemi na 1 m.
  2. Ustaw komputer online w pokoju nauczycielskim.
  3. Włącz zasilanie aparatu Compton i komputera online.
  4. Rozpocznij pomiar kamerą Compton wcześnie rano, zanim pacjenci przybędą do placówki.
  5. Po tym, jak wszyscy pacjenci wyjdą na cały dzień, przerwij wszystkie pomiary.

3. Pomiar na zewnątrz w Kawamata-machi, Fukushima, Japonia

  1. Ustaw kamerę Comptona w pobliżu prywatnego domu, jak pokazano na Rysunek 2c, gdzie podejrzewa się istnienie niektórych radiologicznych gorących punktów cezu o powierzchniowych dawkach 1 μSv/h lub mniejszych. Ustaw wysokość czujników od ziemi na 1,5 m.
  2. Włącz zasilanie aparatu Compton i komputera online.
  3. Rozpocznij pomiar kamerą Compton.
  4. Po 30 minutach przerwij wszystkie pomiary.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Monitorowanie zamkniętego źródła promieniowania w pomieszczeniu eksperymentalnym w placówce RI
Rysunek 3a pokazuje zmienność czasową szybkości wyzwalania mierzoną przez kamerę Comptona (ciągła linia), po zastosowaniu opóźnienia wyboru dwóch liczników uderzeń mniejszych niż 1 μs. Szybkość wyzwalania zmieniała się co 30 minut w zależności od położenia uszczelnionego źródła (tj. odległości od pozycji do kamery). Zmiana ta została potwierdzona na podstawie danych zmierzonych za pomocą stacjonarnego monitora dawki (niebieska linia przerywana); Zachowanie pozostało stałe (tj. poziom tła) inne niż między 5750 s a 7800 s. Tutaj wstępnie ustaliliśmy pięć okresów oznaczonych (i), (ii), (iii), (iv) i (v), reprezentujących pięć pozycji zapieczętowanego źródła (Rysunek 3a). Rysunek 3b pokazuje całkowite widma energii dla każdego takiego okresu (30 minut dla każdego), przy czym oś pozioma reprezentuje sumę depozytów energii dla każdego zdarzenia podwójnej koincydencji. Odnotowujemy piki fotoabsorpcji 662 keV pochodzące z zamkniętego źródła 137Cs dla (i), (ii), (iii) i (iv), podczas gdy (v) pokazuje tylko poziomy tła. Wysokości szczytów dla punktów (ii) i (iii) są takie same, co przypisujemy tej samej odległości 6,7 m od kamery do zamkniętego źródła. Wybierając zdarzenie w zakresie 662±40 keV dla 662 keV, obliczyliśmy kąty rozpraszania i zrekonstruowaliśmy dookólny obraz promieniowania gamma. Wyniki przedstawiono na rysunkach 3c-f, odpowiednio, dla okresów (i), (ii), (iii) i (iv). W tym przypadku obrazy promieniowania gamma są oznaczone czerwonym obszarem, który wskazuje intensywność promieniowania gamma w górnej połowie obserwowanego zakresu. Odkryliśmy, że położenie zapieczętowanego źródła o temperaturze 137stopni Celsjusza można z powodzeniem zidentyfikować na podstawie obrazów promieniowania gamma. Rysunek 4 pokazuje zmiany na obrazie wraz z czasem integracji, gdzie czerwone pole odpowiada węższemu zakresowi (górne 30%) obserwowanego zakresu. Ten węższy zakres został przyjęty, aby nadać priorytet intensywności szczytowej. W tym przypadku kierunek źródła 137Cs można było zidentyfikować po 30 s.

Monitorowanie środowiska w obiekcie PET
Rysunek 5a pokazuje ogólną zmienność szybkości wyzwalania w ciągu dnia (5,6 godziny) mierzoną przez kamerę Comptona (linia) przed ladą recepcyjną w obiekcie PET. Obserwujemy znaczny wzrost częstości wyzwalania przy różnych wzorcach, które można przypisać przemieszczaniu się pacjentów, którym wstrzyknięto 18F-fluorodeoksyglukozy (18F-FDG) po recepcji. Jako przykład takich wzorców skupiamy się na okresie od 6200 s do 7000 s. Zgodnie z szybkością wyzwalania w tym okresie pokazaną w Rysunek 5b, widoczna jest seria ulepszeń, z dwoma płaskowyżami oznaczonymi (i) i (ii). Rysunek 5c pokazuje całkowite widma energii dla Rysunek 5b okresy (i), (ii) i (iii). Obserwujemy piki fotoabsorpcji 511 keV pochodzące z 18F-FDG. Rysunek 5d,e pokazuje obraz dookólny promieniowania gamma o mocy 511 keV odpowiednio w okresach (i) i (ii), w których wybraliśmy zdarzenia w zakresie 511±40 keV do rekonstrukcji obrazu. Kierunki pików promieniowania gamma na obu rysunkach odpowiadają odpowiednio kierunkom sofy i toalety za ścianą. Biorąc pod uwagę szybkości wyzwalania zarówno (i), jak i (ii), interpretujemy promienie gamma w (i) jako przeciek przenikający przez osłonę ściany z toalety; Zakładamy, że pacjent wszedł do toalety i spędził dwie minuty, a następnie usiadł na kanapie kilka minut przed skanowaniem PET.

Pomiar na zewnątrz w Kawamata-machi, Fukushima, Japonia
Rysunek 6a pokazuje zmienność czasową szybkości wyzwalania dla 30 minut pomiaru na zewnątrz. Stabilność szybkości wyzwalania oznacza, że nasz system kamer Compton działa stabilnie nawet w przypadku pomiarów prowadzonych na zewnątrz przez długi czas. Aby zademonstrować, w jaki sposób zrekonstruowano rozszerzone źródło promieniowania gamma, ustaliliśmy cztery różne okresy całkowania oznaczone jako (i) (1 min), (ii) (10 min), (iii) (20 min) i (iv) (30 min), jak pokazano na Rysunek 6a. Rysunek 6b pokazuje całkowite widma energii dla każdego okresu, przedstawiając struktury nałożone na piki fotoabsorpcji promieniowania gamma emitowanego przez radioaktywne nuklidy na poziomie 605 keV i 796 keV dla 134Cs oraz 662 keV dla 137Cs. Aby zrekonstruować obraz promieniowania gamma, wybraliśmy zdarzenia w zakresie 565-622 keV dla 605 keV, 662±40 keV dla 662 keV i 796±40 keV dla 796 keV. Obrazy dookólne promieniowania gamma dla 605, 662 i 796 keV pokazano na rysunkach 6c-f dla okresów całkowania odpowiednio (i), (ii), (iii) i (iv). W tym przypadku stwierdzamy, że zrekonstruowany rozkład promieniowania gamma jest stabilny tak długo, jak długo czas całkowania przekracza 20 minut. Nachylenie wzgórza przed nim i dolna część rynny deszczowej są wyraźnie zanieczyszczone, podczas gdy obszar pokryty niezanieczyszczoną glebą w prawej części obrazu wyraźnie nie jest zanieczyszczony. Intensywność promieniowania gamma jest dobrze zgodna z wartościami dawek mierzonymi przez miernik pomiarowy typu scyntylacyjnego, którego wartości są pokazane na żółto w Rysunek 6f.

figure-results-1
Rysunek 1: System kamer Comptona do dookólnego obrazowania promieniowania gamma. (a) Geometryczny układ scyntylatorów z jedenastoma elementami użytymi w niniejszej pracy. Dwa scyntylatory były umieszczone w środku koła, a dziewięć kolejnych było ułożonych w półkole, ułożonych naprzemiennie w pionie. b) Zdjęcie detektora bez obudowy. Blaty zostały zamocowane wewnątrz styropianu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2: Konfiguracja eksperymentalna. a) Monitorowanie szczelnego źródła promieniowania w pomieszczeniu doświadczalnym w ośrodku RI, gdzie źródło o temperaturze 137Cs zostało kolejno ustawione w miejscach oznaczonych "A", "B", "C" i "D". b) Monitorowanie środowiska przed ladą recepcyjną w obiekcie PET. (c) Pomiar na zewnątrz w polu Fukushima, Japonia. Kamera Compton została zamocowana na drabinie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 3: Reprezentatywne wyniki monitorowania źródła o temperaturze 137Cs w pomieszczeniu doświadczalnym. a) Zmiana w czasie szybkości wyzwalania mierzonej przez kamerę Comptona (linia ciągła) oraz szybkości dawki powietrza mierzonej przez stacjonarny monitor dawki (niebieska linia przerywana). (b) Całkowite widma energetyczne (suma depozytów energii dla każdego podwójnego zdarzenia koincydencyjności) w Rysunek 3okresy (i) (czerwona linia), (ii) (niebieska linia), (iii) (zielona linia), (iv) (różowa linia) i (v) (linia), z wynikiem (iv) został przeskalowany o 0.15. (c) Obraz dookólny promieniowania gamma o natężeniu 662 keV nałożony na obraz optyczny w okresie (i) (30 min). Czerwone pole wskazuje natężenie promieniowania gamma w górnej połowie obserwowanego zakresu. (d) Tak samo jak w (c), ale dla okresu (ii) (30 min). e) Tak samo jak w lit. c), ale w okresie (iii) (30 min). (f) Tak samo jak w lit. c), ale w okresie (iv) (30 min). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rysunek 4: Taki sam jak Rysunek 3c, ale z różnymi czasami pomiaru: 3 s, 5 s, 10 s, 15 s, 30 s i 60 s. W tym przypadku obrazy promieniowania gamma są identyfikowane przez czerwony obszar, który wskazuje na intensywność promieniowania gamma w górnych 30% obserwowanego zakresu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rysunek 5: Reprezentatywne wyniki monitoringu środowiskowego przed ladą recepcyjną w obiekcie PET. a) Zmiana w czasie szybkości wyzwalania mierzona przez kamerę Comptona (linia) w ciągu dnia (5,6 h). b) Częstotliwość aktywacji wyszczególniona dla okresu od 6200 s do 7000 s w lit. a). (c) Całkowite widma energetyczne dla Rysunek 4b okresy (i) (czerwona linia), (ii) (niebieska linia) i (iii) (linia). (d) Obraz dookólny promieniowania gamma 511 keV nałożony na obraz optyczny w okresie (i) (2 min). e) Tak samo jak w lit. d), ale w okresie (ii) (2 min). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-6
Rysunek 6: Reprezentatywne wyniki pomiarów przeprowadzonych na zewnątrz w Kawamata-machi, Fukushima, Japonia. a) Zmiana w czasie szybkości wyzwalania mierzona przez kamerę Comptona (linia ciągła). (b) Całkowite widma energetyczne dla Rysunek 5a okresy (i) 1 min (niebieska linia), (ii) 10 min (zielona linia), (iii) 20 min (czerwona linia) i (iv) 30 min (linia). (c) Wielokierunkowy obraz promieniowania gamma o natężeniu 605, 662 i 796 keV nałożonego na obraz optyczny w okresie (i) (1 min). (d) Tak samo jak w (c), ale dla okresu (ii) (10 min). e) Tak samo jak w lit. c), ale w okresie (iii) (20 min). (f) Tak samo jak w lit. c), ale w okresie (iv) (30 min). Wartości wielkości dawek mierzone za pomocą miernika scyntylacyjnego na wysokości 1 cm od podłoża są przedstawione na rysunkach w celu porównania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

W ramach tego badaniaPoprzednie badanie18
Liczba liczników116
Skuteczność detekcji (cps/(μSv/h)) dla promieniowania gamma 511 keV36Rozdział 18
Rozdzielczość kątowa σ (st.)*1111

Tabela 1: Wydajność obecnych i poprzednich systemów kamer Comptona. *Rozdzielczość kątowa została oszacowana na podstawie dookólnych obrazów promieniowania gamma 511 keV uzyskanych podczas pomiaru zamkniętego źródła 22Na (0,8 MBq) umieszczonego 1 m przed detektorem.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przedstawiliśmy trzy eksperymentalne protokoły wizualizacji różnych źródeł niskopoziomowego promieniowania gamma za pomocą opracowanej przez nas dookólnej kamery Comptona. Reprezentatywne wyniki pokazały, że obrazowanie promieniowania gamma przy niskich poziomach promieniowania pozwala na uzyskanie nowych i użytecznych informacji o otaczającym środowisku. W placówce RI protokół ujawnił, że nasz system kamer Compton z powodzeniem wykrywa pozycję źródła promieniowania gamma, a także szybkość zliczania w danej pozycji względem źródła. Oznacza to, że proponowana metoda może służyć jako technologia nowej generacji do monitorowania promieniowania środowiskowego, zastępując konwencjonalne stacjonarne monitory dawki już zamontowane na ścianach prawie każdego obiektu RI. W tym artykule przedstawiliśmy intensywność promieniowania gamma jako czerwone pole mapujące obszar doświadczający intensywności w górnej połowie obserwowanych wartości (Rysunek 3, Rysunek 5 i Rysunek 6), tak aby pasowało do różnych celów bez uprzedzeń. Podejście, które raczej daje pierwszeństwo szczytowej intensywności, a nie rozkładowi źródeł promieniowania gamma, przyjęłoby węższy zakres czerwonego pola, być może górną ćwiartkę obserwowanych wartości, aby umożliwić kierunkowe wyniki w krótszych skalach czasowych. Rzeczywiście, na rysunku 3c kierunek piku można określić za pomocą czasu pomiaru wynoszącego 30 s dla przypadku (i), jak pokazano na rysunku 4, dla którego intensywność pozycji piku wynosiła około 20 zliczeń.

Jeśli chodzi o monitoring środowiska w obiekcie PET, protokół wykazał możliwość wizualizacji ruchu radioaktywności przez obiekt, który w tym przypadku jest uważany za ruch pacjenta, któremu wstrzyknięto 18F-FDG. Na rycinie 5d,e kierunek pacjenta można określić w czasie krótszym niż 10 sekund, przyjmując węższy zakres pola czerwonego, jak wspomniano powyżej. W przyszłości monitorowanie środowiska źródeł promieniowania gamma za pomocą animacji byłoby przydatne w różnych sytuacjach, nie tylko do przemieszczania się pacjentów, jak w tym badaniu, ale także do monitorowania transferu materiałów paliwa jądrowego, np. na lotniskach, do celów terrorystycznych, poprzez wykorzystanie charakterystyki systemu o wysokiej czułości i niskich kosztach. chociaż rozdzielczość energetyczna systemu wykorzystującego scyntylator jest gorsza niż w przypadku droższych detektorów półprzewodnikowych, takich jak german o wysokiej czystości (HPGe) i CdZnTe (CZT).

W polu Fukushima protokół z powodzeniem zwizualizował rozszerzone źródło promieniowania gamma o dawkach powierzchniowych znacznie mniejszych niż 1 μSv/h, czyli o rząd wielkości niższych niż w niedawnym raporcie25,26. Okazało się, że nasz system kamer Compton jest w stanie działać stabilnie i solidnie podczas pomiarów na zewnątrz. Potwierdziliśmy już, że system może być obsługiwany za pomocą Wi-Fi i przenośnej baterii dla wygodniejszego użytkowania w różnych sytuacjach, zwłaszcza do pomiarów zewnętrznych. Ministerstwo Środowiska w Japonii ustaliło minimalną dawkę powietrza na poziomie 0,23 μSv/h w celu wyznaczenia obszarów do dekontaminacji. Wierzymy, że nasz system i protokoły będą bardzo pomocne w procedurze dekontaminacji na obszarach niskiego skażenia radioaktywnego na rozległych obszarach wschodniej Japonii, gdzie radioaktywny cez został uwolniony w wyniku awarii elektrowni jądrowej Fukushima Daiichi w 2011 roku.

Kamera Comptona wykorzystana w tym badaniu ma wysoką czułość na promieniowanie gamma o energiach od 300 keV do 1400 keV, co można przypisać zastosowaniu sześcianów scyntylacyjnych CsI(Tl) o średnicy 3,5cm18. Typ i rozmiar scyntylatora można zoptymalizować pod kątem monitorowania środowiska źródeł promieniowania gamma o niskim poziomie poniżej 300 keV, takich jak 99 mTc (141 keV) i 111In (171 keV, 245 keV), które są często używane w scyntygrafii. Praca ta zostanie zaprezentowana w innym artykule w najbliższej przyszłości. Detektor może być wyprodukowany w niskiej cenie. W rzeczywistości koszt materiałów detektora użytych w tym badaniu wynosił nie więcej niż 20 000 USD, a kwota ta była zdominowana przez cenę licznika składającego się z CsI (Tl) i PMT; ta konfiguracja jest znacznie tańsza niż scyntylatory GAGG i detektory półprzewodnikowe HPGe, które są używane w innych kamerach Compton. Ponadto system zastosowany w tym badaniu powinien być bardziej kompaktowy ze względu na wszechstronność i wygodę. Rozmiar systemu wyprodukowanego w tym badaniu wynosił 30 cm x 25 cm x 40 cm, czyli więcej niż istniejąca przenośna kamera gamma 5,27. Głównymi powodami tak dużych rozmiarów systemu są duże rozmiary PMT dołączonego do CsI (Tl) (φ4 cm × 12 cm) oraz duża elektronika wykonana przez nas ręcznie. W przyszłości przenośność zostanie poprawiona poprzez zastąpienie PMT metalowym opakowaniem PMT lub Silicon Photomultiplier (SiPM), a także poprzez przepakowanie elektroniki do niewielkich rozmiarów.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To badanie było wspierane przez Open Source Consortium of Instrumentation (Open-It), Japonia, JSPS KAKENHI Grant (nr 22244019, 26610055, 15H04769 i 19H04492).

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
KameraWykonany na zamówienie
monitor dawkiHitachi, Ltd.DAM-1102
Płyta ADC FlashBee Beans Technologies Co., Ltd.BBT-019
PCPanasonic CorporationCF-SZ6
Lampa fotopowielaczaHamamatsu Photonics K.K.H11432-100
Miernik pomiarowyFuji Electric Co., Ltd.NHC7
Compton powiedział:

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. ICRP. Recommendations of the international commission on radiological protection. Annals of the ICRP. 21, ICRP Publication 60 (1990).
  2. Kamae, T., Enomoto, R., Hanada, N. A new method to measure energy, direction, and polarization of gamma rays. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 260, 254-257 (1987).
  3. Schoenfelder, V., et al. Instrument description and performance of the imaging gamma-ray telescope COMPTEL aboard the Compton Gamma-ray Observatory. The Astrophysical Journal Supplement Series. 86, 657-692 (1993).
  4. Suzuki, Y., et al. Three-dimensional and multienergy gamma-ray simultaneous imaging by Using a Si/CdTe compton camera. Radiology. 267, 941-947 (2013).
  5. Kataoka, J., et al. Recent progress of MPPC-based scintillation detectors in high precision X-ray and Gamma-ray imaging. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 784, 248-254 (2015).
  6. Tanimori, T., et al. Establishment of imaging spectroscopy of nuclear gamma-rays based on geometrical optics. Scientific Reports. 7, 41511(2017).
  7. Sakai, M., et al. In vivo simultaneous imaging with 99mTc and 18F using a Compton camera. Physics in Medicine & Biology. 63, 205006(2018).
  8. Koide, A., et al. Precision imaging of 4.4 MeV gamma rays using a 3-D position sensitive Compton camera. Scientific Reports. 8, 8116(2018).
  9. Nagao, Y., et al. Astatine-211 imaging by a Compton camera for targeted radiotherapy. Applied Radiation and Isotopes. 139, 238-243 (2018).
  10. Draeger, E., et al. 3D prompt gamma imaging for proton beam range verification. Physics in Medicine & Biology. 63, 35019(2018).
  11. Uenomachi, M., et al. Double photon emission coincidence imaging with GAGG-SiPM Compton camera. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. , in press (2019).
  12. Nakano, T., et al. Imaging of 99mTc-DMSA and 18F-FDG in Humans Using a Si/CdTe Compton Camera. Physics in Medicine & Biology. , in press (2019).
  13. Lee, W., Lee, T. 4 pi FOV compact Compton camera for nuclear material investigations. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 652, 33-36 (2011).
  14. 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).
  15. Parra, L. Reconstruction of cone-beam projections from Compton scattered data. IEEE Transactions on Nuclear Science. 47, 1543-1550 (2000).
  16. Xu, D., He, Z. Filtered Back-Projection in 4pi Compton Imaging with a Single 3D Position Sensitive CdZnTe Detector. IEEE Transactions on Nuclear Science. 53, 2787-2795 (2006).
  17. Wilderman, S., Clinthorne, N., Fessler, J., Rogers, W. List-mode maximum likelihood reconstruction of Compton scatter camera images in nuclear medicine. Proceedings of IEEE Nuclear Science Symposium. 3, 1716-1720 (1998).
  18. Watanabe, T., et al. Development of an omnidirectional gamma-ray imaging Compton camera for low-radiation-level environmental monitoring. Japanese Journal of Applied Physics. 57, 026401(2018).
  19. Kagaya, M., et al. Development of a low-cost-high-sensitivity Compton camera using CsI(Tl) scintillators (γI). Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 804, 25-32 (2015).
  20. Muraishi, H., Kagaya, M., Katagiri, H., Takeda, T., Watanabe, T. Proposal of a new image reconstruction technique for the Compton camera. The Journal of Japan Academy of Health Science. 17, 159-164 (2014).
  21. Katagiri, H., et al. Development of an all-sky gamma-ray Compton camera based on scintillators for high-dose environments. Journal of Nuclear Science and Technology. 55, 1172-1179 (2018).
  22. Watanabe, T., et al. Remote measurement of urinary radioactivity in 18F-FDG PET patients using Compton camera for accuracy evaluation of standardized uptake value. Biomedical Physics & Engineering Express. 4, 065029(2018).
  23. Uchida, T. Hardware-based TCP processor for gigabit ethernet. IEEE Transactions on Nuclear Science. 55, 1631-1637 (2008).
  24. Brun, R., Redemakers, R. ROOT - An Object-Oriented Data Analysis Framework. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 389, 81-86 (1997).
  25. Tomono, D., et al. First on-site true gamma-ray imaging-spectroscopy of contamination near Fukushima plant. Scientific Reports. 7, 41972(2017).
  26. Kataoka, J., et al. Ultracompact Compton camera for innovative gamma-ray imaging. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 912, 1-5 (2018).
  27. Wahl, C. G., et al. The Polaris-H imaging spectrometer. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 784, 377-381 (2015).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Compton CameraGamma RadiationLow Level RadiationEnvironmental MonitoringRadioactive CesiumCesium 137Fluorine 18 FDGPET FacilityFukushima FieldOmnidirectional Imaging

Related Articles