تصور مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى باستخدام كاميرا كومبتون منخفضة التكلفة وعالية الحساسية، متعددة الاتجاهات

Environment
 

Summary

نقدم بروتوكولات تجريبية لتصور مختلف مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى في البيئة المحيطة باستخدام كاميرا كومبتون منخفضة التكلفة وعالية الحساسية ومتعددة الاتجاهات وأشعة غاما.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Muraishi, H., Enomoto, R., Katagiri, H., Kagaya, M., Watanabe, T., Narita, N., Kano, D. Visualization of Low-Level Gamma Radiation Sources Using a Low-Cost, High-Sensitivity, Omnidirectional Compton Camera. J. Vis. Exp. (155), e60463, doi:10.3791/60463 (2020).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

نقدم بروتوكولات تجريبية لتصور مختلف مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى في البيئة المحيطة. وأجريت التجارب باستخدام كاميرا كومبتون منخفضة التكلفة وعالية الحساسية ومتعددة الاتجاهات ومتعددة الاتجاهات وتصوير أشعة غاما. في المختبر، يمكن بسهولة رصد موقع مصدر أشعة غاما دون الـ MeV مثل 137Cs عن طريق تصوير أشعة غاما متعدد الاتجاهات الذي تحصل عليه كاميرا كومبتون. وعلى النقيض من ذلك، لا يمكن لرصد معدل الجرعة الثابتة المثبتة على الحائط أن يراقب دائماً مثل هذا المصدر بنجاح. وعلاوة على ذلك، أثبتنا بنجاح إمكانية تصور حركة النشاط الإشعاعي في البيئة، على سبيل المثال، حركة المريض الذي تم حقنه بـ 18F-fluorodeoxyglucose(18F-FDG) في منشأة للطب النووي. وفي حقل فوكوشيما، حصلنا بسهولة على صور أشعة غاما متعددة الاتجاهات تتعلق بتوزيع التلوث الإشعاعي المنخفض المستوى على أرض الواقع بواسطة السيزيوم المشع الذي أطلقعن حادث محطة فوكوشيما دايتشي للطاقة النووية في عام 2011. نحن نظهر مزايا واضحة لاستخدام الإجراء لدينا مع هذه الكاميرا لتصور مصادر أشعة غاما. يمكن استخدام بروتوكولاتنا أيضًا لاكتشاف مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى ، بدلاً من شاشات معدل الجرعة الثابتة و / أو عدادات المسح المحمولة المستخدمة بشكل تقليدي.

Introduction

وتؤوي المرافق الطبية مصادر مختلفة لإشعاع غاما منخفض المستوى بمعدل جرعة سطحية و/أو هوائية لا يزيد عن بضعة ميكروسيفرت/ساعة. وتوجد هذه المصادر أيضا في مناطق واسعة من شرق اليابان تظهر فيها تلوثا إشعاعيا منخفض المستوى بمادة سيزيوم المشعة الناجمة عن حادث محطة فوكوشيما دايتشي للطاقة النووية في عام 2011. وتعرض هذه البيئات العمال في بعض الأحيان للحد الخارجي من التعرض للإشعاع لجسم الإنسان لعامة السكان على النحو الذي نصحت به اللجنة الدولية للحماية الإشعاعية: 1 ملي سيفرت/سنة (على سبيل المثال، 1 ميكروسيفرت/ساعة لمدة 4 ح في اليوم، 250 يوماً في السنة)1. إذا تم تصور مصادر الإشعاع من أكثر من بضعة أمتار مقدما على الجداول الزمنية القصيرة، يمكن تقليل كمية التعرض للإشعاع. واحدة من أفضل الحلول لتصور هذه المصادر الإشعاعية غاما هو اعتماد أشعة غاما التصوير كومبتون تقنية الكاميرا2. في هذه التقنية ، يتم قياس الطاقة والاتجاه المخروطي لأشعة غاما الحادث المنبعثة من مصدر الإشعاع بواسطة الكاشف لكل حدث ، ومن ثم يمكن إعادة بناء اتجاه مصدر أشعة غاما عن طريق الإسقاط الخلفي3. وقد وضعت الدراسات السابقة كومبتون أنظمة الكاميرا التي تهدف إلى تطبيق جهاز تشخيصي جديد في الطب النووي و / أو تلسكوب أشعة غاما جديدة في الفيزياء الفلكية4،5،6،7،8،9،10،11،12،13،14، فضلا عن تقنيات إعادة بناء الصورة لبيانات مخروط كومبتون بواسطة النهج التحليلي15و16 والإحصائية 17. وغالبا ما يتم اعتماد أكثر تكلفة، والأجهزة للدولة من بين الفن مع الالكترونيات المعقدة للحصول على دقة الزاوي عالية ضمن انحراف معياري من بضع درجات، ولكن هذه الدقة يجعل من الصعب تحقيق كفاءة الكشف عالية في وقت واحد.

في الآونة الأخيرة ، اقترحنا وطورنا كاميرا تصوير كومبتون بأشعة غاما منخفضة التكلفة وعالية الحساسية ، متعددة الاتجاهات،استنادًا إلى صدفة مزدوجة داخل عدد من المتألقين المستقلين الذين يعملون إما كمبعثرين أوامتصاص19. والهدف من هذه التقنية هو تحقيق كفاءة الكشف بسهولة عالية مع قرار الزاوي ق من ~ 10 درجة أو أقل، وهو ما يكفي لرصد البيئية. ويتم تحقيق ذلك من خلال تطبيق تقنية شحذ الصور18،20 على أساس خوارزمية الإسقاط الخلفي المصفاة ، والتي تطبق مرشح التفاف يُستخدم في إعادة بناء الصورة للتصوير المقطعي المحوسب لإعادة بناء كومبتون. وعلاوة على ذلك، يمكن تحسين كفاءة الكشف، والقرار الزاوي والنطاق الديناميكي للكاشف بسهولة عندما يتم تنسيق نوع وحجم وترتيب المتألقات وفقا لغرض معين، مثل الاستخدام في البيئات التي تنبعث منها النشاط الإشعاعي مرتفعة21،22.

في هذه الدراسة، نقدم بروتوكولات تجريبية لتجارب مختلفة لتصور مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى باستخدام تقنية كاميرا كومبتون متعددة الاتجاهات هذه في منشأة النظائر المشعة (RI) ومرفق التصوير المقطعي ببوزيترون (PET) وحقل فوكوشيما. قمنا بإعداد واستخدام كاميرا تصوير كومبتون بأشعة غاما متعددة الاتجاهات التي سبق أن طورتها أنفسنا18 ولكن مع بعض التحسينات ، من أجل تحقيق كفاءة أعلى في الكشف. ويبين الشكل 1 وجهة نظر تخطيطية لترتيب معشر CsI (Tl) من أحد عشر عنصراً تستخدم في هذه الدراسة. تتكون العدادات الإحدى عشرة من طبقتين. اثنين من العدادات في المركز وتسعة عدادات في نصف دائرة ، والنظر في تكوينات مبعثر إلى الأمام والخلف. تمت قراءة كل مكعب متألق من CsI (Tl) يبلغ 3.5 سم مع أنابيب مضاعفة الصور ثنائية الليكالية (PMT). تم تغذية الإشارات في لوحة ADC فلاش مع تكنولوجيا SiTCP23 وتم توصيل الواجهة الأمامية إلى جهاز كمبيوتر عبر إيثرنت. تم تشغيل برنامج عبر الإنترنت تم إنشاؤه باستخدام Visual C++ مع مكتبة ROOT24 على جهاز كمبيوتر Windows. تم إعادة بناء صورة أشعة غاما وشحذ18،20 على سطح كروي مع تراكم الحلقات مع نصف قطرها من زاوية مبعثرة محسوبة من الحركية كومبتون لكل حدث صدفة مزدوجة. يمكن عرض صورة أشعة غاما متعددة الاتجاهات على الإنترنت وغير متصل عن طريق فرض فوقالصورة البصرية متعددة الاتجاهات التي التقطتها كاميرا رقمية سابقًا. أثناء القياس ، يمكن عرض معدل الزناد ، وإجمالي طيف الطاقة (مجموع رواسب الطاقة لكل حدث صدفة مزدوج) ، والصور المعاد بناؤها لطاقة أشعة غاما المحددة مسبقًا على شاشة الكمبيوتر عبر الإنترنت. يمكن تحديث هذه المعلومات في فترة زمنية محددة مسبقًا (على سبيل المثال، كل 10 ثوان). هنا، نقوم بتعيين الشاشة لعرض نوعين من الصور المعاد بناؤها: صورة تتراكم في بداية القياس وصورة تتراكم في كل فاصل زمني محدد مسبقًا (على سبيل المثال، كل دقيقة واحدة). وعلاوة على ذلك، ونظراً لتخزين البيانات الأولية لكل حدث يتم الحصول عليه باستخدام القياسات، فمن الممكن إعادة تحليل البيانات بعد القياسات ثم تجديد صورة أعيد بناؤها للحصول على طاقة أشعة غاما التعسفية في فترة زمنية اعتباطية. ويبين الجدول 1 أداء نظام كاميرا كومبتون المستخدم في هذه الدراسة، بالمقارنة مع النظام السابق ذي الست عدادات18. وكشفت المقارنة أن مصدر أشعة غاما دون مي في تم تصوره بنجاح بكفاءة كشف ضعف كفاءة النظام السابق، مع الحفاظ على الدقة الزاوية من 11 درجة. كما أكدنا أن الاعتماد الزاوي للقبول تم الاحتفاظ به إلى الحد الأدنى ، مما يظهر اختلافات في ~ 4٪. يتم وصف التفاصيل حول التقنيات الأساسية للنظام في واتانابي وآخرون (2018)18. هنا نقدم ثلاثة بروتوكولات تجريبية لتصور مختلف مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى باستخدام كاميرا كومبتون المذكورة أعلاه.

Protocol

وقد تم تنفيذ البروتوكول وفقا للمبادئ التوجيهية للجنة أخلاقيات البحوث في مستشفى المركز الوطني للسرطان في الشرق، اليابان.

1- رصد مصدر الإشعاع المختوم في غرفة التجارب في مرفق RI

  1. تعيين كاميرا كومبتون بجانب رصد معدل الجرعة كما هو مبين في الشكل 2أ. تعيين ارتفاع أجهزة الكشف من الأرض إلى 2.5 م. بناء رصد معدل الجرعة، الذي يتكون من غرفة تأيين لوحة موازية، في الجزء العلوي من مدخل غرفة التجربة في مرفق RI لرصد معدل الجرعة الهوائية للموقف على فترات من 1 دقيقة.
  2. بدوره على قوة كاميرا كومبتون والكمبيوتر على الانترنت.
  3. بدء القياس في وقت واحد مع كاميرا كومبتون ومراقبة معدل الجرعة.
  4. تعيين مصدر مختوم 137Cs (3.85 MBq) في موقف يسمى 'A' في الشكل 2أ وتركه لمدة 30 دقيقة. تعيين المسافة بين الكاشف والمصدر مختومة إلى 3.6 م.
  5. نقل المصدر مختومة إلى موقف المسمى 'B' وتركه خلال 30 دقيقة. تعيين المسافة بين الكاشف والمصدر مختومة إلى 6.7 م.
  6. نقل المصدر مختومة في موقف يسمى 'C' وتركه خلال 30 دقيقة. تعيين المسافة بين الكاشف والمصدر مختومة إلى 6.7 م.
  7. نقل المصدر مختومة في موقف يسمى 'D' وتركه خلال 30 دقيقة. تعيين المسافة بين الكاشف والمصدر مختومة إلى 1 م.
  8. نقل المصدر مختومة خارج الغرفة. بعد 30 دقيقة، ووقف جميع القياس.

2- الرصد البيئي في مرفق PET

  1. تعيين كاميرا كومبتون أمام مكتب الاستقبال في مرفق PET كما هو مبين في الشكل 2ب. تعيين ارتفاع أجهزة الكشف من الأرض إلى 1 م.
  2. تعيين الكمبيوتر عبر الإنترنت في غرفة الموظفين.
  3. بدوره على قوة كاميرا كومبتون والكمبيوتر على الانترنت.
  4. بدء قياس الكاميرا كومبتون في وقت مبكر من الصباح قبل وصول المرضى إلى منشأة.
  5. بعد مغادرة جميع المرضى لهذا اليوم ، توقف عن جميع القياسات.

3- القياس في الهواء الطلق في كاواماتا - ماتشي، فوكوشيما، اليابان

  1. تعيين الكاميرا كومبتون بالقرب من منزل خاص كما هو مبين في الشكل 2ج, حيث يشتبه في وجود بعض النقاط الساخنة السيزيوم الإشعاعية مع معدلات الجرعة السطحية من 1 μSv / ساعة أو أقل. تعيين ارتفاع أجهزة الكشف من الأرض إلى 1.5 م.
  2. بدوره على قوة كاميرا كومبتون والكمبيوتر على الانترنت.
  3. بدء قياس الكاميرا كومبتون.
  4. بعد 30 دقيقة، ووقف جميع القياس.

Representative Results

رصد مصدر الإشعاع المختوم في غرفة التجارب في مرفق RI
ويبين الشكل 3أ التباين الزمني لمعدل الزناد الذي تقاس به كاميرا كومبتون (الخط الصلب الأسود)، بعد تطبيق اختيار تأخر زمني للعدادات التي ضربتمرتين أقل من 1 ميكرون. معدل الزناد يتغير كل 30 دقيقة اعتمادا على موقف المصدر مختومة (أي المسافة من الموقف إلى الكاميرا). وقد تأكد هذا التباين من البيانات التي تم قياسها بواسطة شاشة معدل الجرعة الثابتة (الخط الأزرق المتقطع)؛ وظل السلوك ثابتاً (أي مستوى الخلفية) بخلاف ما بين 5750 و7800 s. هنا، وضعنا مبدئيا خمس فترات تسمى (1)، (2)، (3)، (4) و (5)، تمثل المواقف الخمسة للمصدر مختومة(الشكل 3أ). ويبين الشكل 3ب الأطياف الكلية للطاقة لكل فترة من هذه الفترات (30 دقيقة لكل منها)، وهو المحور الأفقي الذي يمثل مجموع رواسب الطاقة لكل حدث من الصدف من شقين. نلاحظ 662 كيلوفولت قمم امتصاص الصور الناشئة من 137Cs المصدر مختومة ل '1' و (2) و (3) و (4)، في حين أن (v) يظهر فقط مستويات الخلفية. ارتفاعات الذروة ل '2' و (3) هي نفسها، والتي نعزوها إلى نفس المسافة 6.7 متر من الكاميرا إلى المصدر مختومة. من خلال اختيار الحدث في حدود 662 ± 40 keV ل662 كيلو فولت ، قمنا بحساب زوايا التشتت وإعادة بناء صورة أشعة غاما متعددة الاتجاهات. وترد النتائج في الأشكال 3ج-و،على التوالي، للفترات (1) و (2) و (3) و (4). وهنا يشار إلى صور أشعة غاما من قبل المنطقة الحمراء، مما يشير إلى كثافة أشعة غاما في النصف العلوي من النطاق الملاحظة. ونجد أن موقع المصدر المختوم 137Cs يمكن تحديده بنجاح من صور أشعة غاما. يوضح الشكل 4 التغييرات في الصورة مع وقت التكامل، حيث يتوافق الحقل الأحمر بدلاً من ذلك مع نطاق أضيق (أعلى 30%) من النطاق الملاحظة. وقد اعتُمد هذا النطاق الأضيق من أجل إعطاء الأولوية لكثافة الذروة. في هذه الحالة، يمكن تحديد اتجاه مصدر 137Cs بعد 30 s.

الرصد البيئي في مرفق PET
ويبين الشكل 5أ التغير الزمني الإجمالي لمعدل الزناد خلال النهار (5.6 ساعة) كما تقاس بكاميرا كومبتون (الخط الأسود) أمام مكتب استقبال في مرفق PET. نلاحظ زيادة ملحوظة في معدل الزناد مع أنماط مختلفة، والتي يمكن أن تعزى إلى حركة المرضى الذين حقنوا مع 18F-فلوروديوكسيجلوجلوجلوجلو(18F-FDG) حول مكتب الاستقبال. وكمثال على هذه الأنماط، نركز على الفترة من 6200 إلى 7000 s. وفقا لمعدل الزناد في هذه الفترة المبينة في الشكل 5ب، سلسلة من التحسينات واضحة ، مع اثنين من الهضاب المسماة (1) و (2). ويبين الشكل 5ج مجموع أطياف الطاقة للفترات (1) و(2) و(3) من الشكل 5ب. نلاحظ 511 كيلوفولت قمم امتصاص الصور الناشئة من 18F-FDG. الشكل 5د، ه تظهر 511 keV أشعة غاما صورة متعددة الاتجاهات في الفترتين (1) و (2)، على التوالي، التي اخترنا الأحداث في غضون 511 ± 40 كيلوفولت لإعادة بناء الصورة. اتجاهات قمم أشعة غاما في كلا الشكلين تتوافق على التوالي مع اتجاهات الانبة والحمام خلف الجدار. وبالنظر إلى معدلات الزناد لكل من '1' و '2'، فإننا نفسر أشعة غاما في '1' على أنها تسرب يخترق درع الجدار من دورة المياه؛ نحن نفترض أن المريض دخل دورة المياه وقضى دقيقتين، وبعد ذلك جلس على الكلية بضع دقائق قبل فحص PET.

القياس في الهواء الطلق في كاواماتا ماتشي، فوكوشيما، اليابان
ويبين الشكل 6ألف التغير الزمني لمعدل الزناد لمدة 30 دقيقة من القياس في الهواء الطلق. استقرار معدل الزناد يعني أن لدينا نظام الكاميرا كومبتون يعمل بشكل ثابت حتى بالنسبة للقياسات التي أجريت في الهواء الطلق على مدى فترة طويلة. ولتوضيح كيفية إعادة بناء مصدر أشعة غاما الموسعة، وضعنا أربع فترات تكامل مختلفة تحمل علامة (1) (دقيقة واحدة) و(2) (10 دقيقة) و(3) (20 دقيقة) و(4) (30 دقيقة)، كما هو موضح في الشكل 6أ. ويبين الشكل 6ب الأطياف الكلية للطاقة لكل فترة، ويصور الهياكل التي تُفرض على قمم امتصاص الصور لأشعة غاما المنبعثة من النويدات المشعة عند 605 keV و 796 keV لـ 134Cs و 662 keV لـ 137Cs. لإعادة بناء صورة أشعة غاما، اخترنا الأحداث في غضون 565-622 كيلوفولت ل605 كيلوفولت، 662 ± 40 keV ل662 keV و 796 ± 40 keV ل796 كيلوفولت. وترد الصور الشاملة للاتجاهات بأشعة غاما لـ 605 و662 و796 keV في الأشكال 6c-f لفترات التكامل (1) و(2) و(3) و(4) على التوالي. في هذه الحالة، نجد أن توزيع أشعة غاما المعاد بناؤها مستقر طالما أن وقت التكامل يتجاوز 20 دقيقة. ومن الواضح أن منحدر تلة أمامية والجزء السفلي من مزراب المطر ملوثان، في حين أن المنطقة المغطاة بالتربة غير الملوثة في الجزء الأيمن من الصورة غير ملوثة بشكل واضح. تكون كثافة أشعة غاما متفقة بشكل جيد مع قيم معدل الجرعة التي تقاس بمقياس مسح من نوع التلألؤ ، تظهر قيمه باللون الأصفر في الشكل 6و.

Figure 1
الشكل 1: كلي الاتجاهات أشعة غاما التصوير كومبتون نظام الكاميرا. (أ) الترتيب الهندسي للمتألقات مع أحد عشر عنصراً مستخدمة في هذه الدراسة. تم ترتيب اثنين من الملذّين في وسط دائرة ، مع تسعة آخرين مرتبة في نصف دائرة ، متداخلة عموديًا. (ب) صورة للكاشف بدون سكن. تم إصلاح العدادات داخل البوليسترين الموسع. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: الإعداد التجريبي. (أ) رصد مصدر إشعاع مختوم في غرفة التجارب في مرفق RI، حيث تم تعيين مصدر مختوم من 137Cs بالتتابع في المواقع المسماة "أ" و"باء" و"ج" و"دال". (ب) الرصد البيئي أمام مكتب استقبال في مرفق PET. (ج) القياس في الهواء الطلق في حقل فوكوشيما، اليابان. كاميرا (كومبتون) كانت ثابتة على سلم سلم يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: النتائج التمثيلية لرصد مصدر مختوم من 137Cs في غرفة التجارب. (أ) التغير الزمني لمعدل الزناد الذي تقاس به كاميرا كومبتون (الخط الصلب الأسود) ومعدل الجرعة الهوائية المقيس بشاشة معدل الجرعة الثابتة (الخط الأزرق المتقطع). (ب) مجموع أطياف الطاقة (مجموع رواسب الطاقة لكل حدث من حالات المصادفة ذات الشقين) في الشكل 3فترات'1' (الخط الأحمر) و(2) (الخط الأزرق) و(3) (الخط الأخضر) و(4) (الخط الوردي) و (5) (الخط الأسود)، مع قياس نتيجة '4' بمقدار 0.15. (ج) 662 keV صورة غاما راي متعددة الاتجاهات التي فرضت على الصورة البصرية في الفترة (1) (30 دقيقة). يشير الحقل الأحمر إلى كثافة أشعة غاما في النصف العلوي من النطاق الملاحظة. (د) نفس (ج) ولكن للفترة '2' (30 دقيقة). (هـ) نفس (ج) ولكن للفترة '3' (30 دقيقة). (و) نفس (ج) ولكن للفترة (4) (30 دقيقة). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: نفس الشكل 3ج،ولكن مع أوقات قياس مختلفة: 3 s، 5 s، 10 s، 15 s، 30 s، و 60 s. هنا يتم تحديد صور أشعة غاما من قبل المنطقة الحمراء، مما يشير إلى كثافة أشعة غاما في أعلى 30٪ من النطاق الملاحظة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: النتائج التمثيلية للرصد البيئي أمام مكتب استقبال في مرفق PET. (أ) التغير الزمني لمعدل الزناد الذي تقاس به كاميرا كومبتون (الخط الأسود) خلال النهار (5.6 ساعة). (ب) معدل الزناد مفصلة لفترة ما بين 6200 ق و 7000 s في (أ). (ج) مجموع أطياف الطاقة للفترات(1) (الخط الأحمر) و(2) (الخط الأزرق) و(3) (الخط الأسود). (د) 511 keV صورة غاما راي متعددة الاتجاهات التي فرضت على الصورة البصرية للفترة (1) (2 دقيقة). (هـ) نفس (د) ولكن للفترة (2) (2 دقيقة). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: النتائج التمثيلية للقياس في الهواء الطلق في كاواماتا - ماتشي، فوكوشيما، اليابان. (أ) التغير الزمني لمعدل الزناد الذي تقاس به كاميرا كومبتون (خط صلب أسود). (ب) إجمالي أطياف الطاقة للشكل 5فترات(1) دقيقة واحدة (خط أزرق)، و(2) 10 دقيقة (خط أخضر)، و(3) 20 دقيقة (خط أحمر)، و(4) و30 دقيقة (خط أسود). (ج) صورة شاملة الاتجاه لـ 605 و662 و796 كيلوفياً من أشعة غاما فوق الصورة البصرية للفترة (1) (دقيقة واحدة). (د) نفس (ج) ولكن للفترة (2) (10 دقيقة). (هـ) نفس (ج) ولكن للفترة '3' (20 دقيقة). (و) نفس (ج) ولكن للفترة (4) (30 دقيقة). وترد في الأرقام للمقارنة قيم معدل الجرعة التي تقاس بمقياس مسح من نوع التلألؤ على ارتفاع 1 سم من الأرض. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

هذه الدراسة الدراسة السابقة18
عدد العدادات 11 6
كفاءة الكشف (cps/(μSv/h)) لـ 511 كيلوفولت أشعة غاما 36 18
دقة الزاوي (deg)* 11 11

الجدول 1: أداء أنظمة كاميرات كومبتون الحالية والسابقة. * تم تقدير الاستبانة الزاوي من 511 keV صور أشعة غاما متعددة الاتجاهات التي تم الحصول عليها أثناء قياس مصدر مختوم 22Na (0.8MBq) وضعت 1 متر قبل الكاشف.

Discussion

قدمنا ثلاثة بروتوكولات تجريبية لتصور مختلف مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى باستخدام كاميرا كومبتون متعددة الاتجاهات التي طورناها. وأظهرت النتائج التمثيلية أن التصوير بأشعة غاما عند مستويات إشعاع منخفضة يسمح باشتقاق معلومات جديدة ومفيدة عن البيئة المحيطة. وفي مرفق RI، كشف البروتوكول أن نظام كاميرا كومبتون لدينا يكتشف بنجاح موقع مصدر أشعة غاما، وكذلك معدل العد في الموضع المعطى بالنسبة للمصدر. وهذا يعني أن الطريقة المقترحة يمكن أن تكون بمثابة تكنولوجيا الجيل التالي لرصد الإشعاع البيئي، لتحل محل شاشات معدل الجرعة الثابتة التقليدية التي تم تركيبها بالفعل على جدران أي مرفق من مرافق RI تقريباً. في هذه الورقة، صورنا كثافة أشعة غاما كحقل أحمر يرسم خرائط للمنطقة التي تشهد كثافة في النصف العلوي من القيم الملاحظة(الشكل 3والشكل 5والشكل 6)،وذلك لتتناسب مع أغراض مختلفة دون تحيز. والنهج الذي يعطي الأولوية بدلا من الذروة، بدلا من توزيع مصادر أشعة غاما، من شأنه أن يعتمد نطاقا أضيق من المجال الأحمر، وربما الربع العلوي من القيم الملاحظة، من أجل التمكين من التوصل إلى نتائج توجيهية في جداول زمنية أقصر. في الواقع ، في الشكل 3ج، يمكن تحديد اتجاه الذروة مع وقت قياس 30 s للحالة (1) كما هو موضح في الشكل 4، والتي كانت شدة موضع الذروة حول 20 عددًا.

وفيما يتعلق بالرصد البيئي في مرفق PET، أظهر البروتوكول إمكانية تصور حركة النشاط الإشعاعي من خلال المرفق، الذي يعتبر في هذه الحالة حركة مريض تم حقنه بـ 18من طراز F-FDG. في الشكل 5د، ه،يمكن تحديد اتجاه المريض في أقل من 10 ق من خلال اعتماد نطاق أضيق المجال الأحمر على النحو المذكور أعلاه. في المستقبل الرصد البيئي لمصادر أشعة غاما عن طريق الرسوم المتحركة سيكون مفيدا لمختلف الحالات، ليس فقط لحركة المرضى كما هو الحال في هذه الدراسة، ولكن أيضا لرصد نقل مواد الوقود النووي كما هو الحال في المطارات لأغراض الإرهاب، من خلال الاستفادة من الحساسية العالية والخصائص منخفضة التكلفة للنظام، على الرغم من أن دقة الطاقة للنظام الذي يستخدم المعتل أدنى من ذلك من أجهزة الكشف عن أشباه الموصلات أكثر تكلفة، مثل المانينيوم عالية النقاء (HPGe) وCdZnTe (CZT).

وفي حقل فوكوشيما، نجح البروتوكول في تصور مصدر إشعاع غاما الموسع بمعدلات جرعات سطحية تقل كثيراً عن 1 ميكروسيفرت/ساعة، وهو ترتيب من حيث الحجم أقل من ذلك في تقرير صدر مؤخراً25،26. تم العثور على نظام كاميرا كومبتون لدينا لتكون قادرة على العمل بشكل ثابت وبقوة لقياس في الهواء الطلق. لقد أكدنا بالفعل أنه يمكن تشغيل النظام باستخدام واي فاي وبطارية محمولة للاستخدام أكثر ملاءمة في حالات مختلفة ، وخاصة للقياس في الهواء الطلق. وحددت وزارة البيئة في اليابان معدل جرعة الهواء الأدنى بـ 0.23 ميكروسيفرت/ساعة لتحديد المناطق التي سيتم تطهيرها. ونعتقد أن نظامنا وبروتوكولاتها ستكون عونا كبيرا لإجراءات إزالة التلوث في مناطق التلوث الإشعاعي المنخفض المستوى في مناطق واسعة من شرق اليابان حيث أطلق سيزيوم المشع عن طريق حادث محطة فوكوشيما دايتشي للطاقة النووية في عام 2011.

كاميرا كومبتون المستخدمة في هذه الدراسة لديها حساسية عالية لأشعة غاما مع الطاقات بين 300 keV و 1400 keV، ويعزى إلى استخدام 3.5 سم CsI (Tl) مكعبات scintillator18. يمكن تحسين نوع وحجم الملمع ة للرصد البيئي لمصادر أشعة غاما منخفضة المستوى دون 300 برميل، مثل 99 mTc (141 keV) و 111في (171 keV، 245 keV)، والتي تستخدم بشكل متكرر في الرسم السكنتي. وسيقدم هذا العمل في ورقة أخرى في المستقبل القريب. يمكن تصنيع الكاشف بسعر منخفض. وفي الواقع، لم تتجاوز تكلفة مواد الكاشف المستخدمة في هذه الدراسة 000 20 دولار، وسيطر على هذا المبلغ سعر العداد المكون من CsI (Tl) وPMT؛ هذا التكوين هو أقل تكلفة بكثير من المتألقات GAGG وكاشفات أشباه الموصلات HPGe التي تستخدم في كاميرات كومبتون الأخرى. وعلاوة على ذلك، ينبغي جعل النظام المستخدم في هذه الدراسة أكثر إحكاما من أجل تعدد الاستخدامات والراحة. كان حجم النظام المنتج في هذه الدراسة 30 سم × 25 سم × 40 سم ، وهو أكبر من كاميرا جاما المحمولة الحالية5،27. الأسباب الرئيسية لحجم هذا النظام الكبير هي الحجم الكبير للPMT تعلق على CsI (Tl) (ο4 سم × 12 سم) والالكترونيات الكبيرة المصنوعة يدويا من قبلنا. في المستقبل، سيتم تحسين قابلية النقل عن طريق استبدال PMT مع PMT حزمة معدنية أو السيليكون Photomultiplier (SiPM) وكذلك عن طريق إعادة تغليف الالكترونيات في حجم صغير.

Disclosures

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

Acknowledgments

تم دعم هذه الدراسة من قبل اتحاد المصادر المفتوحة للأجهزة (Open-It) ، اليابان ، منحة JSPS KAKENHI (رقم 22244019 و 26610055 و 15H04769 و 19H04492).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Compton camera Custom made
Dose rate monitor Hitachi, Ltd. DAM-1102
Flash ADC board Bee Beans Technologies Co.,Ltd. BBT-019
PC Panasonic Corporation CF-SZ6
Photo-multiplier tube Hamamatsu Photonics K.K. H11432-100
Survey meter Fuji Electric Co., Ltd. NHC7

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics