Name: Visualização de fontes de radiação gama de baixo nível usando uma câmera Compton omnidirecional de baixo custo, alta sensibilidade e omnidirecional (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-01-30T10:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 28 s
Description: Aprenda a visualizar fontes de radiação gama de baixo nível usando uma câmera Compton portátil e de alta sensibilidade. Este método permite monitoramento ambiental em tempo real, substituindo monitores convencionais fixos em instalações de radioisótopos e áreas afetadas por radiação.

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Este estudo contou com o apoio do Open Source Consortium of Instrumentation (Open-It), Japão, JSPS KAKENHI Grant (Nº 22244019, 26610055, 15H04769 e 19H04492).

O protocolo foi conduzido seguindo as diretrizes do comitê de ética da pesquisa no National Cancer Center Hospital East, Japão.
1. Monitoramento de fonte de radiação selada em sala de experimentos em instalações ri
<ol><li>Defina a câmera Compton ao lado do monitor de taxa de dose, como mostrado na Figura 2a. Coloque a altura dos detectores do solo para 2,5 m. Construa o monitor de taxa de dose, que consiste em uma câmara de ionização de placas paralelas, na parte superior da entrada da sala de experimentos na instalação ri para monitorar a taxa de dose de ar da posição em intervalos de 1 min.</li>
	<li>Ligue o poder da câmera Compton e do computador online.</li>
	<li>Inicie a medição simultânea com a câmera Compton e o monitor de taxa de dose.</li>
	<li>Coloque uma fonte selada de 137Cs (3,85 MBq) em uma posição rotulada de 'A' na Figura 2a e deixe-a por 30 min. Defina a distância entre o detector e a fonte selada para 3,6 m.</li>
	<li>Mova a fonte selada para uma posição rotulada como 'B' e deixe-a durante 30 min. Ajuste a distância entre o detector e a fonte selada para 6,7 m.</li>
	<li>Mova a fonte selada em uma posição rotulada como 'C' e deixe-a durante 30 min. Ajuste a distância entre o detector e a fonte selada para 6,7 m.</li>
	<li>Mova a fonte selada em uma posição rotulada como 'D' e deixe-a durante 30 min. Defina a distância entre o detector e a fonte selada para 1 m.</li>
	<li>Mova a fonte selada para fora da sala. Depois de 30 min, pare toda a medição.</li>
</ol>2. Monitoramento ambiental em instalações pet
<ol><li>Coloque a câmera Compton em frente à recepção em instalações PET, como mostrado na Figura 2b. Ajuste a altura dos detectores do chão para 1 m.</li>
	<li>Coloque o computador online na sala da equipe.</li>
	<li>Ligue o poder da câmera Compton e do computador online.</li>
	<li>Inicie a medição da câmera Compton no início da manhã antes que os pacientes cheguem às instalações.</li>
	<li>Depois de todos os pacientes partirem por hoje, pare toda a medição.</li>
</ol>3. Medição ao ar livre em Kawamata-machi, Fukushima, Japão
<ol><li>Coloque a câmera Compton perto de uma casa privada como mostrado na Figura 2c,onde a existência de alguns pontos quentes radiológicos do Caesium com taxas de dose superficial de 1 μSv/h ou menos são suspeitas. Ajuste a altura dos detectores do solo para 1,5 m.</li>
	<li>Ligue o poder da câmera Compton e do computador online.</li>
	<li>Inicie a medição da câmera Compton.</li>
	<li>Depois de 30 min, pare toda a medição.</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>

Os autores não têm nada para divulgar.

Apresentamos três protocolos experimentais para visualizar várias fontes de radiação gama de baixo nível usando a câmera Omnidirecionaal Compton que desenvolvemos. Os resultados representativos demonstraram que a imagem de raios gama em baixos níveis de radiação permite a derivação de informações novas e úteis sobre o ambiente circundante. Na instalação ri, o protocolo revelou que nosso sistema de câmeras Compton descobre com sucesso a posição da fonte de raios gama, bem como a taxa de contagem na posição dada em relação à fonte. Isso significa que o método proposto pode servir como uma tecnologia de próxima geração para monitoramento de radiação ambiental, substituindo monitores convencionais de taxa de dose estacionária já montados nas paredes de quase qualquer instalação de RI. Neste artigo, retratamos a intensidade do raio-gama como um campo vermelho mapeando a região experimentando intensidades na metade superior dos valores observados (Figura 3, Figura 5e Figura 6), de modo a atender a vários propósitos sem viés. Uma abordagem que, em vez disso, prioriza um pico de intensidade, em vez da distribuição de fontes de raios gama, adotaria uma faixa mais estreita do campo vermelho, talvez o quarto superior dos valores observados, a fim de permitir achados diretivas em escalas de tempo mais curtas. De fato, na Figura 3c,a direção máxima poderia ser identificada com um tempo de medição de 30 s para o caso (i) como mostrado na Figura 4, para a qual a intensidade da posição máxima era de cerca de 20 contagens.
Quanto ao monitoramento ambiental na unidade PET, o protocolo demonstrou a possibilidade de visualizar o movimento de radioatividade através da instalação, que neste caso é considerada a movimentação de um paciente injetado com 18F-FDG. Na Figura 5d,e,a direção do paciente pode ser identificada em menos de 10 s, adotando a faixa de campo vermelho mais estreita como mencionado acima. No futuro, o monitoramento ambiental de fontes de raios gama por animação seria útil para diversas situações, não apenas para a movimentação de pacientes como neste estudo, mas também para monitorar a transferência de materiais de combustível nuclear, como em aeroportos para fins de terrorismo, aproveitando-se das características de alta sensibilidade e baixo custo do sistema, embora a resolução energética de um sistema que usa um cintilador seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução de energia de um sistema que usa um cintilador seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução de energia de um sistema que usa um cintilador seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução de energia de um sistema que usa um cintilador seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução de energia de um sistema que usa um cintilador seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução de energia de um sistema que usa um cintilador seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução energética de um sistema que usa um cintilatório seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução energética de um sistema que usa cintilação seja inferior à de detectores de semi (HPGe) e CdZnTe (CZT).
No campo de Fukushima, o protocolo visualizou com sucesso a fonte de radiação gama estendida com taxas de dose superficial de muito menos de 1 μSv/h, que é uma ordem de magnitude menor do que a de um relatório recente25,26. Nosso sistema de câmeras Compton foi encontrado capaz de operar de forma stab e robusta para medição ao ar livre. Já confirmamos que o sistema pode ser operado usando WiFi e bateria portátil para uso mais conveniente em várias situações, especialmente para medição ao ar livre. O Ministério do Meio Ambiente do Japão estabeleceu a taxa mínima de 0,23 μSv/h para designar áreas a serem descontaminadas. Acreditamos que nosso sistema e protocolos serão uma grande ajuda para o procedimento de descontaminação em áreas de contaminação radioativa de baixo nível em amplas áreas do leste do Japão, onde o césio radioativo foi liberado pelo acidente da usina nuclear de Fukushima Daiichi em 2011.
A câmera Compton usada neste estudo tem alta sensibilidade para raios gama com energias entre 300 keV e 1400 keV, atribuível ao uso de cubos cintilantes CsI (Tl) de 3,5 cm18. O tipo e o tamanho cintilantepodem ser otimizados para monitoramento ambiental de fontes de radiação gama de baixo nível abaixo de 300 keV, como Tc de 99m(141 keV) e 111In (171 keV, 245 keV), que são frequentemente usados na cintigrafia. Este trabalho será apresentado em outro artigo em um futuro próximo. O detector pode ser fabricado a um preço baixo. De fato, o custo dos materiais detectores utilizados neste estudo não foi superior a US $ 20.000, e esse valor foi dominado pelo preço do balcão composto por CsI (Tl) e PMT; esta configuração é significativamente mais barata do que os cintilantes GAGG e detectores de semicondutores HPGe que são usados em outras câmeras Compton. Além disso, o sistema utilizado neste estudo deve ser mais compacto por uma questão de versatilidade e conveniência. O tamanho do sistema produzido neste estudo foi de 30 cm x 25 cm x 40 cm, que é maior que a câmera gama portátil existente5,27. As principais razões para um tamanho tão grande do sistema são o grande tamanho do PMT ligado ao CSI (Tl) (φ4 cm × 12 cm) e os grandes eletrônicos feitos à mão por nós. No futuro, a portabilidade será melhorada substituindo o PMT por um pacote de metal PMT ou Silicon Photomultiplier (SiPM), bem como reembalando os eletrônicos em pequeno tamanho.

As instalações médicas abrigam várias fontes de radiação gama de baixo nível com uma taxa de dose de superfície e/ou ar de apenas alguns μSv/h. Tais fontes também estão presentes em amplas áreas do leste do Japão, exibindo contaminação radioativa de baixo nível por césio radioativo do acidente da usina nuclear de Fukushima Daiichi em 2011. Esses ambientes às vezes expõem os trabalhadores ao limite de exposição à irradiação externa para o corpo humano para a população em geral, conforme aconselhado pela Comissão Internacional de Proteção Radiológica (ICRP): 1 mSv/ano (por exemplo, 1 μSv/h para 4h por dia, 250 dias por ano)1. Se as fontes de radiação forem visualizadas com mais de alguns metros de antecedência em curtos prazos, a quantidade de exposição à radiação pode ser reduzida. Uma das melhores soluções para visualizar essas fontes de radiação gama é adotar uma técnica de câmera Compton de imagem gama2. Nesta técnica, a energia e a direção do cone dos raios gama incidentes emitidos pela fonte de radiação são medidos pelo detector para cada evento, e então a direção fonte de raios gama pode ser reconstruída pela projeção traseira3. Estudos anteriores desenvolveram sistemas de câmeras Compton voltados para a aplicação de um novo dispositivo diagnóstico em medicina nuclear e/ou um novo telescópio de raios gama em astrofísica4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, bem como técnicas de reconstrução de imagens para dados do cone Compton por15,16 e17 abordagens estatísticas. Dispositivos mais caros e de última geração com eletrônica simultânea são frequentemente adotados para obter alta resolução angular dentro de um desvio padrão de alguns graus, mas essa precisão dificulta alcançar simultaneamente alta eficiência de detecção.
Recentemente, propusemos e desenvolvemos uma câmera Compton de imagem gama de baixo custo, de alta sensibilidade e omnidirecional18,baseada em uma coincidência de duas vezes dentro de uma série de cintilantes independentes que agem como dispersores ou absorventes19. O objetivo desta técnica é alcançar facilmente alta eficiência de detecção com uma resolução angular de ~10 graus ou menos, o que é adequado para um monitor ambiental. Isso é realizado através da aplicação de uma técnica de afiação de imagens18,20 baseada no algoritmo de projeção traseira filtrado, que aplica um filtro de convolução usado na reconstrução de imagens para tomografia computadorizada para a reconstrução de Compton. Além disso, a eficiência de detecção, resolução angular e alcance dinâmico do detector podem ser facilmente otimizadas quando o tipo, tamanho e arranjo de cintiladores são coordenados de acordo com um propósito específico, como o uso em ambientes emitindo radioatividade elevada21,22.
Neste estudo, apresentamos protocolos experimentais para vários testes para visualizar fontes de radiação gama-ray de baixo nível usando esta técnica de câmera omnidirecional Compton em uma instalação de radioisótopos (RI), uma instalação de tomografia de emissão de pósitrons (PET) e o campo de Fukushima. Preparamos e utilizamos a câmera compton de imagem gama omnidirecional desenvolvida anteriormente por nós18, mas com algumas melhorias, a fim de alcançar maior eficiência de detecção. A Figura 1 mostra uma visão esquemática do arranjo de cintiladores CsI (Tl) de onze elementos utilizados neste estudo. Os onze contadores consistem em duas camadas; dois balcões no centro e nove contadores em um meio círculo, considerando configurações de dispersão para frente e para trás. Cada cubo cintilante CsI (TL) de 3,5 cm foi lido com tubos de foto-multiplicador super-bialkali (TPM). Os sinais foram alimentados em uma placa Flash ADC com tecnologia SiTCP23 e a parte frontal foi conectada a um PC via Ethernet. Um programa online criado usando o Visual C++ com biblioteca ROOT24 foi operado em um PC Windows. Uma imagem de raios gama foi reconstruída e afiada18,20 em uma superfície esférica com anéis acumulados com um raio de φ que é um ângulo de dispersão calculado a partir de cinéticas Compton para cada evento de coincidência dupla. Uma imagem omnidirecional de raios gama pode ser exibida on-line e offline por superposição na imagem óptica omnidirecional anteriormente tirada por uma câmera digital. Durante a medição, a taxa de gatilho, o espectro energético total (a soma dos depósitos de energia para cada evento de coincidência dupla), e as imagens reconstruídas de uma energia de raios gama pré-definido podem ser exibidas na tela de PC online. Essas informações podem ser atualizadas em um intervalo de tempo pré-definido (por exemplo, a cada 10 s). Aqui, definimos a tela para exibir dois tipos de imagens reconstruídas: uma imagem que é acumulada no início da medição e uma imagem reacumulada a cada intervalo de tempo pré-definido (por exemplo, a cada 1 min). Além disso, como os dados brutos de cada evento obtidos utilizando as medições são armazenados, é possível reanalisar os dados após as medições e, em seguida, regenerar uma imagem reconstruída para uma energia arbitrária de raios gama em um intervalo de tempo arbitrário. A Tabela 1 mostra o desempenho do sistema de câmeras Compton usado neste estudo, em comparação com o sistema anterior de seis contras18. A comparação revelou que uma fonte de raios gama sub-MeV foi visualizada com sucesso com uma eficiência de detecção duas vezes maior que a do sistema anterior, mantendo a resolução angular de ~11 graus. Também confirmamos que a dependência angular da aceitação foi mantida ao mínimo, mostrando diferenças de s ~ 4%. Os detalhes sobre as técnicas fundamentais do sistema são descritos em Watanabe et al. (2018)18. Aqui introduzimos três protocolos experimentais para visualizar várias fontes de radiação gama-ray de baixo nível usando a câmera Compton descrita acima.

<table><tbody><tr><td>Compton câmera</td><td></td><td></td><td>Custom made</td></tr><tr><td>Monitor de taxa de dose</td><td>Hitachi, Ltd.</td><td>DAM-1102</td><td></td></tr><tr><td>Flash ADC placa</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 de pesquisa</td><td>Fuji Electric Co., Ltd.</td><td>NHC7</td><td></td></tr></tbody></table>

visualização de fontes de radiação gama de baixo nível usando uma câmera compton omnidirecional de baixo custo, alta sensibilidade e omnidirecional

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

Apresentamos protocolos experimentais para visualizar várias fontes de radiação gama de baixo nível no ambiente. Experimentos foram conduzidos usando uma câmera Compton de imagem de raios gama de baixo custo, alta sensibilidade, onidirecional, gama. No laboratório, a posição de uma fonte de radiação gama sub-MeV, como 137Cs, pode ser facilmente monitorada através de imagens omnidirecionais de raios gama obtidas pela câmera Compton. Em contraste, um monitor estacionário de taxa de dose montado na parede não pode sempre monitorar com sucesso tal fonte. Além disso, demonstramos com sucesso a possibilidade de visualizar o movimento de radioatividade no ambiente, por exemplo, o movimento de um paciente injetado com 18F-fluorodexiglucose (18F-FDG) em uma instalação de medicina nuclear. No campo de Fukushima, facilmente obtivemos imagens omnidirecionais de raios gama preocupadas com a distribuição no solo de contaminação radioativa de baixo nível por césio radioativo liberado pelo acidente da usina nuclear de Fukushima Daiichi em 2011. Demonstramos vantagens claras de usar nosso procedimento com esta câmera para visualizar fontes de raios gama. Nossos protocolos podem ser usados ainda mais para descobrir fontes de radiação gama de baixo nível, no lugar de monitores estacionários de taxa de dose e/ou medidores de pesquisa portáteis usados convencionalmente.

Monitoramento de fonte de radiação selada em sala de experimentos em instalações de RI Figura 3a mostra a variação de tempo da taxa de gatilho medida pela câmera Compton (linha sólida preta), depois de aplicar uma seleção de intervalo de contadores de dois hits menores que 1 μs. A taxa de gatilho mudou a cada 30 min dependendo da posição da fonte lacrada (ou seja, distância da posição para a câmera). Essa variação foi confirmada a partir dos dados medidos pelo monitor de taxa de dose estacionária (linha azul tracejada); o comportamento permaneceu constante (ou seja, nível de fundo) diferente entre 5750 e 7800 s. Aqui, definimos provisoriamente cinco períodos rotulados (i), (ii), (iii), (iv) e (v), representando as cinco posições da fonte lacrada (Figura 3a). A Figura 3b mostra o espectro energético total para cada período (30 min para cada), o eixo horizontal que representa a soma dos depósitos de energia para cada evento de duas vezes coincidência. Notamos 662 picos de foto-absorção de keV originários da fonte selada de 137Cs para (i), (ii), (iii) e (iv), enquanto (v) mostra apenas níveis de fundo. As alturas máximas para (ii) e (iii) são as mesmas, que atribuímos à mesma distância de 6,7 metros da câmera até a fonte lacrada. Ao selecionar o evento dentro de 662±40 keV para 662 keV, calculamos os ângulos de dispersão e reconstruímos a imagem omnidirecional de raios gama. Os resultados são apresentados nos números 3c-f,respectivamente, para períodos (i), (ii), (iii) e (iv). Aqui as imagens de raios gama são indicadas pela região vermelha, o que indica intensidades de raios gama na metade superior da faixa observada. Descobrimos que a posição da fonte selada de 137Cs pode ser identificada com sucesso a partir das imagens de raios gama. A Figura 4 mostra as mudanças na imagem com o tempo de integração, onde o campo vermelho corresponde a uma faixa mais estreita (os 30 superiores%) da faixa observada. Essa faixa mais estreita foi adotada para dar prioridade a uma intensidade máxima. Neste caso, a direção de origem de 137Cs poderia ser identificada após os 30 anos.
Monitoramento ambiental em instalações pet A Figura 5a mostra a variação de tempo total da taxa de gatilho durante o dia (5,6 h) medida pela câmera Compton (linha preta) em frente a uma recepção em uma instalação PET. Observamos notável aprimoramento na taxa de gatilho com vários padrões, que poderiam ser atribuídos ao movimento de pacientes injetados com 18F-fluorodeoxyglucose(18F-FDG) ao redor da recepção. Como exemplo desses padrões, focamos no período de 6200 a 7.000. De acordo com a taxa de gatilho nesse período mostrada na Figura 5b,uma série de aprimoramentos são evidentes, com dois platôs rotulados (i) e (ii). A Figura 5c mostra o espectro energético total para os períodos da Figura 5b(i), (ii) e (iii). Observamos 511 picos de absorção de fotos keV originários do 18F-FDG. Figura 5d,e mostrar a imagem omnidirecional gama de 511 kema-ray em períodos (i) e (ii), respectivamente, em que selecionamos eventos dentro de 511±40 keV para reconstrução de imagens. As direções dos picos de raios gama em ambos os números correspondem, respectivamente, às direções do sofá e ao banheiro atrás da parede. Considerando as taxas de gatilho tanto (i) quanto (ii), interpretamos os raios gama em (i) como vazamento penetrando no escudo da parede do banheiro; presumimos que um paciente entrou no banheiro e passou dois minutos, e depois disso sentou-se no sofá alguns minutos antes da tomografia pet.
Medição ao ar livre em Kawamata-machi, Fukushima, Japão A figura 6a mostra a variação de tempo da taxa de gatilho para 30 min de medição ao ar livre. A estabilidade da taxa de gatilho implica que nosso sistema de câmeras Compton opera de forma stably mesmo para medições realizadas ao ar livre durante um longo período. Para demonstrar como a fonte de raios gama estendida foi reconstruída, estabelecemos quatro diferentes períodos de integração rotulados (i) (1 min), (ii) (10 min), (iii) (20 min) e (iv) (30 min), como mostrado na Figura 6a. A Figura 6b mostra o espectro total de energia para cada período, retratando as estruturas sobrepostas aos picos de foto-absorção de raios gama emitidos de nuclídeos radioativos a 605 keV e 796 keV para 134Cs e 662 keV para 137Cs. Para reconstruir a imagem de raios gama, selecionamos eventos dentro de 565-622 keV para 605 keV, 662±40 keV para 662 keV e 796±40 keV para 796 keV. As imagens omnidirecionais gama-ray para 605, 662 e 796 keV são mostradas em Figuras 6c-f para períodos de integração (i), (ii), (iii) e (iv), respectivamente. Neste caso, descobrimos que a distribuição reconstruída de raios gama é estável desde que o tempo de integração exceda 20 min. A encosta de uma colina na frente e a parte inferior da sarjeta de chuva estão claramente contaminadas, enquanto a área coberta com solo não contaminado na parte direita da imagem não está comprovadamente contaminada. A intensidade do raio gama está em bom acordo com os valores da taxa de dose medidos por um medidor de pesquisa do tipo cintilação, os valores dos quais são mostrados em amarelo na Figura 6f.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig1.jpg"> Figura 1: Sistema de câmeras Compton de imagem de raios gama omnidirecionais. a Arranjo geométrico de cintilantes com onze elementos utilizados neste estudo. Dois cintilantes foram organizados no centro de um círculo, com mais nove dispostos em meio círculo, cambaleou verticalmente. b Fotografia do detector sem habitação. Os contadores foram fixados dentro de um poliestireno expandido. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig1alarge.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig2.jpg"> Figura 2: Configuração experimental. a Monitoramento de uma fonte de radiação selada na sala de experimentos na instalação do RI, onde uma fonte selada de 137Cs foi sequencialmente definida nas posições rotuladas como 'A', 'B', 'C' e 'D'. b Monitoramento ambiental em frente a uma recepção na unidade PET. c Medição ao ar livre no campo de Fukushima, Japão. A câmera Compton foi fixada em uma escada. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig2alarge.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig3.jpg"> Figura 3: Resultados representativos do monitoramento de uma fonte selada de 137Cs na sala de experimentos. a Variação de tempo da taxa de gatilho medida pela câmera Compton (linha sólida preta) e da taxa de dose de ar medida pelo monitor de taxa de dose estacionária (linha azul tracejada). b Espectro spectra de energia total (a soma dos depósitos de energia para cada evento de coincidência dupla) na Figura 3a'períodos (i) (linha vermelha), (ii) (linha azul), (iii) (linha verde), (iv) (linha rosa) e (v) (linha preta), com o resultado de (iv) foi dimensionado em 0,15. c Imagem omnidirecional gama de raios de 662 kev sobreposta à imagem óptica no período (i) (30 min). O campo vermelho indica intensidades de raios gama na metade superior da faixa observada. d Mesmo que (c) mas por período (ii) (30 min). e O mesmo que (c) mas por período (iii) (30 min). (f) Mesmo que (c) mas por período (iv) (30 min). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig4.jpg"> Figura 4: Mesma figura 3c,mas com vários tempos de medição: 3 s, 5 s, 10 s, 15 s, 30 s e 60 s. Aqui as imagens de raios gama são identificadas pela região vermelha, o que indica intensidades de raios gama na faixa superior de 30% da faixa observada. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig5.jpg"> Figura 5: Resultados representativos do monitoramento ambiental em frente a uma recepção na unidade PET. a Variação de tempo da taxa de gatilho medida pela câmera Compton (linha preta) durante o dia (5,6 h). b Taxa de gatilho detalhada por um período entre 6200 e 7000 s (a). c Espectro de energia total para os períodos da Figura 4b(i) (linha vermelha), (ii) (linha azul) e (iii) (linha preta). d Imagem omnidirecional gama de raios de 511 kev sobreposta à imagem óptica por período (i) (2 min). (e) O mesmo que (d) mas por período (ii) (2 min). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig5large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig6.jpg"> Figura 6: Resultados representativos da medição ao ar livre em Kawamata-machi, Fukushima, Japão. a Variação de tempo da taxa de gatilho medida pela câmera Compton (linha sólida preta). b Espectro de energia total para osperíodos (i) 1 min (linha azul), (ii) 10 min (linha verde), (iii) 20 min (linha vermelha) e (iv) 30 min (linha preta). c Imagem omnidirecional de 605, 662 e 796 raios gama keV sobrepostos à imagem óptica por período (i) (1 min). d Mesmo que (c) mas por período (ii) (10 min). e O mesmo que (c) mas por período (iii) (20 min). (f) Mesmo que (c) mas por período (iv) (30 min). Os valores da taxa de dose medidos por um medidor de pesquisa do tipo cintilação a uma altura de 1 cm do solo são mostrados nos números para comparação. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig6large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td></td>
			<td>Este estudo</td>
			<td>Estudo anterior18</td>
		</tr>
<tr>
<td>Número de contadores</td>
			<td>11</td>
			<td>6</td>
		</tr>
<tr>
<td>Eficiência de detecção (cps/(μSv/h)) para 511 raios gama keV</td>
			<td>36</td>
			<td>18</td>
		</tr>
<tr>
<td>Resolução angular σ (deg)*</td>
			<td>11</td>
			<td>11</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabela 1: Performances dos sistemas de câmera Compton presentes e anteriores. *A resolução angular foi estimada a partir de 511 imagens de raios gama omnidirecionais de keV obtidas durante a medição de uma fonte selada de 22Na (0,8MBq) colocada 1 metro à frente do detector.

Apresentamos protocolos experimentais para visualizar várias fontes de radiação gama de baixo nível no ambiente usando uma câmera Compton de imagem de raios gama de baixo custo, alta sensibilidade, omnidirecional, gama-ray.

Visualização de fontes de radiação gama de baixo nível usando uma câmera Compton omnidirecional de baixo custo, alta sensibilidade e omnidirecional

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

Este método simples permite a visualização rápida de fontes de radiação gama de baixo nível com superfície ambiente e, ou taxas de dose de ar sobre alguns microsieverts por hora ou menos. O detector é omnidirecional, altamente sensível, barato e portátil, e pode ser usado para fontes de radiação gama de baixo nível dentro das instalações de RI, e fora da enfermaria ao redor de Fukushima. O método pode servir como uma tecnologia de última geração para monitoramento de radiação ambiental, substituindo os monitores convencionais de taxa de dose estacionária, atualmente em uso em instalações de RI em hospitais.Demonstrando o procedimento serão Nina Kuwata e Katsuki Kubayashi, estudantes do meu laboratório. Para monitorar uma fonte de radiação selada dentro de uma instalação de radioisótopos, coloque a câmera Compton ao lado do monitor de taxa de dose montado na parede, e meça a altura dos detectores do solo. O monitor de taxa de dose montado na parede consiste em uma câmara de ionização de placas paralelas, e pode monitorar constantemente a taxa de dose de ar da posição em intervalos de um minuto.Ligue para a câmera Compton com o computador on-line e inicie a medição simultânea com a câmera Compton e o monitor de taxa de dose. Coloque uma fonte lacrada de Césio-137 na posição A, a 3,6 metros de distância dos detectores. Após 30 minutos, mova a fonte selada para a posição B, a 6,7 metros dos detectores.Após mais 30 minutos, mova a fonte selada para a posição C, a 6,7 metros dos detectores. Após mais 30 minutos, mova a fonte selada para a posição D, a um metro dos detectores. Após mais 30 minutos, mova a fonte selada para fora da sala por 30 minutos e pare todas as medidas.Para monitoramento ambiental dentro de uma instalação pet, no início da manhã antes da chegada dos pacientes, coloque a câmera Compton em frente à recepção na instalação PET, e meça a altura dos detectores do chão. Coloque o computador on-line na sala de funcionários e energia na câmera e computador. Quando todos os materiais estiverem no lugar, inicie as medições.Pare de monitorar depois que todos os pacientes partirem por hoje. Para medição de radioisótopos do lado de fora, coloque a câmera Compton perto do prédio de interesse, na qual se suspeita a existência de alguns pontos de acesso radiológicos de Césio com taxas de dose de serviço de um microsieverts por hora, ou menos, são suspeitos. Ajuste a altura dos detectores para 1,5 metros do chão, e ligue para a câmera e o computador.Em seguida, adquira medições da câmera Compton por 30 minutos. Aqui, a variação de tempo da taxa de gatilho medida pela câmera Compton em uma instalação de radioisótopos, depois de aplicar uma seleção de intervalo de tempo de dois contadores de cabeça menos de um microssegundo, é mostrada. A taxa de gatilho mudou a cada 30 minutos, dependendo da posição da fonte selada, conforme confirmado a partir dos dados medidos pelo monitor de taxa de dose estacionária.Cinco períodos foram definidos para representar as cinco posições da fonte selada. Conforme ilustrado nestas imagens omnidirecionais, para os períodos de um a quatro de monitoramento, a posição da fonte lacrada do Césio-137 pode ser identificada com sucesso a partir das imagens de raios gama mostradas em vermelho. As variações de tempo globais das taxas de gatilho medidas em uma instalação pet durante o dia revelam um notável aumento na taxa de gatilho com vários padrões, o que poderia ser atribuído ao movimento de pacientes injetados com Fluorodeoxyglucose fluorodeoxyglucose fluorine-18 ao redor da recepção.Por exemplo, focando no período de 6.200 a 7.000 segundos, uma série de melhorias com dois platôs se tornam aparentes. Nestas imagens da instalação, as direções dos picos de raios gama em ambas as imagens correspondem às direções do sofá e do banheiro atrás da parede. Considerando as taxas de gatilho de ambos os períodos de monitoramento, é provável que um paciente tenha entrado no banheiro por dois minutos e, posteriormente, sentado no sofá por alguns minutos antes da tomografia.Na medição ao ar livre no campo de Fukushima, o protocolo revela que as imagens de raios gama relativas à distribuição no nível do solo da contaminação radioativa de césio de baixo nível podem ser adquiridas. Nosso procedimento de descontaminação pode ser usado em áreas com contaminação radioativa de césio de baixo nível, liberada pelo acidente da usina nuclear de Fukushima Daiichi, e melhoramos o atual sistema PET.

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