הדמיה של מקורות קרינת גמא ברמה נמוכה תוך שימוש בעלות נמוכה, רגישות גבוהה, מצלמת קומפטון מרובת כיוונים
Summary
אנו מציגים פרוטוקולים ניסיוניים להמחיש מקורות שונים של קרינת גמא ברמה נמוכה בסביבת הסביבה תוך שימוש במחיר נמוך, רגישות גבוהה, הדמיה של מצלמה קומפטון-קרני גמא.
Abstract
אנו מציגים פרוטוקולים ניסיוניים להמחיש מקורות שונים של קרינת גמא ברמה נמוכה בסביבת הסביבה. ניסויים נערכו על ידי שימוש בעלות נמוכה, רגישות גבוהה, הדמיה מצלמה קומפטון, קרני גמא. במעבדה, מיקומו של מקור קרינה מסוג משנה-MeV גמא כגון 137Cs יכול בקלות להיות מפוקח באמצעות הדמיה גמא-ray בעלי כיווניות המתקבל על ידי מצלמת קומפטון. לעומת זאת, צג מינון נייח שנטען על-ידי הקיר אינו יכול תמיד לפקח על מקור כזה. יתרה מזאת, הדגמנו בהצלחה את האפשרות להמחיש את התנועה הרדיואקטיבית בסביבה, למשל, התנועה של חולה שהוזרק באמצעות 18מטוסי-פלואור (18f-fdg) במתקן לרפואה גרעינית. בשדה פוקושימה, אנו בקלות להשיג כיווניות התמונות קרני גמא מודאג התפלגות על הקרקע של זיהום רדיואקטיבי ברמה נמוכה על ידי צסיום רדיואקטיבי שפורסמו על ידי התאונה הגרעינית פוקושימה Daiichi הכוח הגרעיני ב 2011. אנו מדגימים יתרונות ברורים של שימוש בהליך שלנו עם המצלמה הזאת כדי להמחיש מקורות קרני גמא. הפרוטוקולים שלנו יכולים לשמש עוד כדי לגלות מקורות קרינה גמא ברמה נמוכה, במקום צגים נייחים מינון ו/או מטרים הסקר ניידים בשימוש מקובל.
Introduction
מתקנים רפואיים בית מקורות שונים קרינה גמא ברמה נמוכה עם משטח ו/או מינון האוויר של רק כמה μSv/h. מקורות כאלה נמצאים גם על פני אזורים רחבים של יפן המזרחית מציג זיהום רדיואקטיבי ברמה נמוכה על ידי צסיום רדיואקטיבי מן התאונה הגרעינית פוקושימה Daiichi תחנת הכוח בשנת 2011. סביבות אלה לעיתים לחשוף את העובדים מגבלת חשיפה הקרנה חיצונית עבור גוף האדם עבור האוכלוסייה הכללית כפי שיעץ על ידי הנציבות הבינלאומית על הגנה רדיולוגית (ICRP): 1 mSv/שנה (למשל, 1 μSv/h עבור 4 h ליום, 250 ימים בשנה)1. אם מקורות קרינה הם דמיינו יותר מכמה מטרים מראש על צירי זמן קצרים, את כמות החשיפה הקרינה ניתן להפחית. אחד הפתרונות הטובים ביותר להדמיה אלה מקורות קרינה גמא היא לאמץ הדמיה גמא רנטגן טכניקת המצלמה של קומפטון2. בטכניקה זו, האנרגיה וכיוון החרוט של האירועים הגאמה שנפלטת ממקור הקרינה נמדדת על ידי הגלאי עבור כל אירוע, ולאחר מכן ניתן להחזיר את כיוון מקור קרני הגמא באמצעות הקרנה אחורית3. מחקרים קודמים פיתחו מערכות מצלמה קומפטון מכוון ליישום של מכשיר אבחון חדש ברפואה גרעינית ו/או טלסקופ חדש קרני גמא באסטרופיסיקה4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, כמו גם טכניקות שחזור תמונה עבור נתונים חרוט קומפטון על ידי ניתוח אנליטי15,16 ו-17 מגישות סטטיסטיות. יותר יקר, המדינה לאמנות התקנים עם אלקטרוניקה מסובכת מאומצים לעתים קרובות כדי להשיג רזולוציה זוויתית גבוהה בתוך סטיית תקן של כמה מעלות, אבל דיוק זה עושה את זה קשה בו להשיג יעילות זיהוי גבוה.
לאחרונה, יש לנו הציע ופיתח בעלות נמוכה, רגישות גבוהה, גמא-ray הדמיה המצלמה קומפטון מצלמה18, מבוסס על צירוף מקרים של שני קיפולים בתוך מספר scintillators עצמאיים הפועלים כמו המסטרים או בולמים19. מטרת טכניקה זו היא להשיג בקלות יעילות זיהוי גבוה עם רזולוציה זוויתי של ~ 10 מעלות או פחות, אשר מתאים לצג הסביבה. זה מושג באמצעות יישום של טכניקת החידוד תמונה18, 20 מבוסס על אלגוריתם ההקרנה האחורי מסוננים, אשר מחיל מסנן קונבולוציה המשמש שחזור תמונה לטומוגרפיה ממוחשבת לשחזור קומפטון. יתר על כן, יעילות הזיהוי, רזולוציה זוויתי וטווח דינמי של הגלאי ניתן למטב בקלות כאשר סוג, גודל וסידור של scintillators מתואמים בהתאם למטרה מסוימת, כגון שימוש בסביבות פליטת רדיואקטיביות מוגבה21,22.
במחקר זה, אנו מציגים פרוטוקולים ניסיוניים עבור מבחנים שונים עבור המחשה מקורות קרינה גמא ברמה נמוכה באמצעות הטכניקה הזאת מצלמה קומפטון המצלמה במתקן רדיואיזוטופ (RI), פליטת פוזיטרון טומוגרפיה (PET) מתקן והשדה פוקושימה. אנו מוכנים ומנוצל הדמיה הגמא אומניסטי המצלמה קומפטון שפותחה בעבר על ידי עצמנו18 אבל עם כמה שיפורים, כדי להשיג יעילות זיהוי גבוה יותר. איור 1 מציג תצוגה סכמטית של ההסדר של CsI (Tl) scintillators של אחד-עשר אלמנטים המשמשים במחקר זה. אחד-עשר המונים מורכבים משתי שכבות; שני מונים במרכז ותשעה מונים בחצי עיגול, בהתחשב בתצורות של פיזור קדימה ולאחור. כל CsI (Tl) הקוביה של 3.5 ס מ היתה לקרוא עם צינורות מכפיל התמונה סופר-bialkali (PMT). האותות הוזן לתוך הלוח הבזק ADC עם טכנולוגיית SiTCP23 ואת החזית היה מחובר למחשב באמצעות Ethernet. תוכנית מקוונת שנוצרה באמצעות Visual C++ עם ספריית הבסיס24 הייתה מופעלת במחשב Windows. תמונת גמא שוחזר והתחדדו18,20 על משטח כדורי עם צבירת טבעות עם רדיוס של θ כי הוא זווית פיזור מחושב הקינטיות קומפטון עבור כל אירוע שני קיפול צירוף מקרים. תמונת גמא כיוונית ניתן להציג הן מקוון ולא מקוון על ידי הטלת על על התמונה האופטית האומניקאומווני שנלקחה בעבר על ידי מצלמה דיגיטלית. במהלך המדידה, קצב ההדק, ספקטרום האנרגיה הכולל (סכום מרבצי האנרגיה עבור כל אירוע צרוף מקרים של שני קיפולים), והתמונות המשוחזרים של אנרגיית גמא המוגדרת מראש ניתן להציג במסך המחשב המקוון. ניתן לעדכן מידע זה במרווח זמן מוגדר מראש (לדוגמה, כל 10 s). כאן, אנו מציגים את המסך כדי להציג שני סוגים של תמונות שעברו שחזור: תמונה המצטברת בתחילת המדידה ותמונה שהצטברו מחדש בכל מרווח זמן מוגדר מראש (לדוגמה, כל 1 דקות). יתרה מזאת, מאחר שהנתונים הגולמיים עבור כל אירוע שהושגו באמצעות המידות מאוחסנות, ניתן לנתח מחדש את הנתונים לאחר המדידות ולאחר מכן ליצור תמונה משוחזרת עבור אנרגיית גמא-ray שרירותית במרווח זמן שרירותי. טבלה 1 מראה את הביצועים של מערכת המצלמה קומפטון בשימוש במחקר זה, על ידי השוואה עם שישה מונה הקודם מערכת18. ההשוואה גילתה כי מקור sub-MeV גמא-ray היה בהצלחה דמיינו עם יעילות הזיהוי פעמיים זה של המערכת הקודמת, תוך שמירה על רזולוציה זוויתית של ~ 11 מעלות. כמו כן, אנו אישרו כי התלות הזוויתית של הקבלה הייתה נשמרת למינימום, המציגה הבדלים של s ~ 4%. הפרטים על טכניקות בסיסיות של המערכת מתוארים Watanabe ואח ‘. (2018)18. כאן אנו מציגים שלושה פרוטוקולים ניסיוניים להמחיש מקורות שונים של קרינת גמא ברמה נמוכה באמצעות מצלמת קומפטון שתוארה לעיל.
Protocol
Representative Results
Discussion
הצגנו שלושה פרוטוקולים ניסיוניים להמחיש מקורות שונים של קרינת גמא ברמה נמוכה באמצעות מצלמת קומפטון מרובת כיוונים שפיתחנו. תוצאות הנציג הראו כי הדמיה קרני גמא ברמות קרינה נמוכות מאפשרת את הנגזרת של הרומן ומידע שימושי על הסביבה הסובבת. במתקן RI, הפרוטוקול חשף כי מערכת המצלמה שלנו קומפטון מגלה בהצלחה את המיקום של מקור קרני הגמא, כמו גם את קצב הספירה במיקום נתון יחסית למקור. משמעות הדבר היא כי השיטה המוצעת יכולה לשמש כטכנולוגיה הדור הבא עבור ניטור הקרינה הסביבתית, החלפת מוניטורים קונבנציונאלי תעריף מינון נייח כבר רכוב על קירות כמעט כל מתקן RI. במאמר זה, אנו מתוארים עוצמת קרינת הגמא כשדה אדום מיפוי האזור חווה עוצמות במחצית העליונה של ערכים נצפים (איור 3, איור 5, ואיור 6), כדי להתאים מטרות שונות ללא הטיה. גישה שאינה מעניקה עדיפות לעוצמת שיא, ולא להפצת מקורות קרני גמא, תאמץ מגוון צר יותר של השדה האדום, אולי ברבעון העליון של הערכים הנצפים, כדי לאפשר ממצאי הוראה בצירי זמן קצרים יותר. אכן, באיור 3c, כיוון השיא יכול להיות מזוהה עם זמן מדידה של 30 עבור במקרה (i) כפי שמוצג באיור 4, שעבורו אינטנסיביות שיא של מיקום היה סביב 20 ספירות.
באשר לניטור סביבתי במתקן PET, הפרוטוקול הראה את האפשרות להמחיש את התנועה הרדיואקטיבית דרך המתקן, אשר במקרה זה נחשב תנועה של חולה הזריק עם 18F-fdg. באיור 5d, e, הכיוון של המטופל ניתן לזהות בפחות מ 10 על ידי אימוץ טווח השדה האדום צר יותר כפי שהוזכר לעיל. בעתיד, ניטור הסביבה של מקורות קרני גמא על ידי אנימציה יהיה שימושי עבור מצבים שונים, לא רק עבור התנועה של חולים כמו במחקר זה, אלא גם עבור ניטור העברת חומרים גרעיניים כגון בנמלי התעופה למטרות טרור, על ידי ניצול של רגישות גבוהה ומאפיינים בעלות נמוכה של המערכת, למרות הרזולוציה של האנרגיה של מערכת המשתמשת scintillator הוא נחות זה של גלאי מוליך למחצה יקר יותר, כגון גרמניום גבוה של טוהר (HPGe) ו-CdZnTe (CZT).
בשדה פוקושימה, הפרוטוקול דמיינו בהצלחה את מקור קרינת גמא המורחבת עם שיעורי מינון פני השטח של הרבה פחות מ-1 μsv/h, שהוא צו של סדר גודל נמוך יותר מאשר בדוח האחרון25,26. מערכת המצלמה שלנו קומפטון נמצאה להיות מסוגל לפעול באופן בלתי נשכח עבור מדידה בחוץ. כבר אישרו כי המערכת יכולה להיות מופעלת באמצעות WiFi וסוללה ניידת לשימוש נוח יותר במצבים שונים, במיוחד עבור מדידה חיצונית. משרד הסביבה ביפן הגדיר את מינון האוויר שיעור מינימום ב 0.23 μSv/h כדי לייעד אזורים להיות decontaminated. אנו מאמינים כי המערכת שלנו ופרוטוקולים יהיה לעזר רב עבור הליך טיהור באזורים של זיהום רדיואקטיבי ברמה נמוכה באזורים נרחבים של יפן המזרחית שבו צסיום רדיואקטיבי שוחרר על ידי התאונה הגרעינית פוקושימה Daiichi הכוח הגרעיני ב 2011.
מצלמת קומפטון בשימוש במחקר זה יש רגישות גבוהה לקרני גמא עם אנרגיות בין 300 קוו ו 1400 קוו, המיוחס לשימוש 3.5 ס מ החוקר (Tl) קוביות שיבוץ18. סוג וגודל הסריקה יכולים להיות ממוטבים לניטור סביבתי של מקורות קרינת גמא ברמה נמוכה מתחת 300 קוו, כגון 99 mTc (141 קוו) ו 111ב (171 קוו, 245 קוו), אשר משמשים לעתים קרובות מיפוי. עבודה זו תוצג בעיתון אחר בעתיד הקרוב. הגלאי יכול להיות מיוצר במחיר נמוך. למעשה, העלות של חומרי הגלאי המשמשים במחקר זה היה לא יותר מ $20,000, וכמות זו נשלטה על ידי המחיר של המונה המורכב של CsI (Tl) ו-PMT; תצורה זו היא זולה באופן משמעותי מאשר בגלאי המוליכים למחצה של GAGG ו-HPGe המשמשים במצלמות קומפטון אחרות. יתר על כן, המערכת המשמשת במחקר זה יש לעשות יותר קומפקטי למען צדדיות ונוחות. גודל המערכת המיוצר במחקר זה היה 30 ס”מ x 25 ס”מ x 40 ס”מ, שהוא גדול יותר מאשר הקיים הנייד גמא מצלמה5,27. הסיבות העיקריות לגודל מערכת כזה גדול הם בגודל גדול של PMT מצורף CsI (Tl) (φ4 ס”מ × 12 ס מ) ואת האלקטרוניקה גדול בעבודת יד על ידינו. בעתיד, הניידות תהיה שופרה על-ידי החלפת ה-PMT עם חבילת מתכת PMT או הסיליקון פוטופיוטיפייר (SiPM) וכן על-ידי אריזה מקרוב של האלקטרוניקה בגודל קטן.
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה היה נתמך על ידי קונסורציום קוד פתוח של מיכשור (פתוח-It), יפן, JSPS KAKENHI גרנט (Nos. 22244019, 26610055, 15H04769 ו 19H04492).
Materials
| 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 |
Referenzen
- ICRP. Recommendations of the international commission on radiological protection. Annals of the ICRP. 21, (1990).
- 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).
- 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).
- Suzuki, Y., et al. Three-dimensional and multienergy gamma-ray simultaneous imaging by Using a Si/CdTe compton camera. Radiology. 267, 941-947 (2013).
- 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).
- Tanimori, T., et al. Establishment of imaging spectroscopy of nuclear gamma-rays based on geometrical optics. Scientific Reports. 7, 41511 (2017).
- Sakai, M., et al. In vivo simultaneous imaging with 99mTc and 18F using a Compton camera. Physics in Medicine & Biology. 63, 205006 (2018).
- 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).
- Nagao, Y., et al. Astatine-211 imaging by a Compton camera for targeted radiotherapy. Applied Radiation and Isotopes. 139, 238-243 (2018).
- Draeger, E., et al. 3D prompt gamma imaging for proton beam range verification. Physics in Medicine & Biology. 63, 35019 (2018).
- 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. , (2019).
- Nakano, T., et al. Imaging of 99mTc-DMSA and 18F-FDG in Humans Using a Si/CdTe Compton Camera. Physics in Medicine & Biology. , (2019).
- 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).
- 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).
- Parra, L. Reconstruction of cone-beam projections from Compton scattered data. IEEE Transactions on Nuclear Science. 47, 1543-1550 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Uchida, T. Hardware-based TCP processor for gigabit ethernet. IEEE Transactions on Nuclear Science. 55, 1631-1637 (2008).
- 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).
- Tomono, D., et al. First on-site true gamma-ray imaging-spectroscopy of contamination near Fukushima plant. Scientific Reports. 7, 41972 (2017).
- 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).
- 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).
