Спосіб вимірювання радіоактивного забруднення людини та пристрій для його здійснення

УКРАЇНА МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ Д ЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛ ЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ UA (11) 28169 (51) (19) 6 G01T1/161, 1/163 ОПИС ДО ДЕКЛАРАЦІЙНОГО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (13) A видається під відповідальність власника патенту (13) 28169 Недостатком такого способа является то, что измерения радиоактивности человека могут производится только в стационарных условиях. Наличие защитной камеры приводит к большому весу устройства для реализации способа, сложности его конструкции и высокой себестоимости. Нахождение в камере-бункере некомфортно для обследуемого человека. Известен гамма-спектрометр [2], состоящий из датчика и одноканального анализатора импульсов, предназначенный для измерения активности инкорпорированного 137Cs. Высокая чувствительность прибора достигается без внешней фоновой защиты за счет того, что человек экранирует детектор от внешнего излучения своим телом. Таким прибором осуществляют измерение одного ра (11) Изобретение отноотгся к области ядерных измерений, в частности, к ядерной медицине и спектрометрическим методам радиационного контроля объектов, подвергшихся радиоактивному заражению в регионах с повышенным уровнем радиации, и предназначено для прижизненного радиационного контроля людей, живущи х в условиях постоянного воздействия малых доз ионизирующего излучения (a, b, g-излучений) и потребляющих загрязненные радионуклидами продукты питания. Известен способ измерения радиоактивного загрязнения человека, при котором человек и регистрирующее устройство помещаются в защитную низкофоновую камеру, а регистрация и анализ спектров ионизирующего излучения проводят спектрометрическим методом [1]. UA жений статистически выделенных пиков полного поглощения в разностном спектре с положениями пиков известных спектров паспортизованных радионуклидов, причем наличие в спектре выделенных пиков определяют условиями dА/А³n и dЕ³DЕ, где dА=(А-Аф), А - измеренная амплитуда максимума предполагаемого пика, Аф - амплитуда пьедестала, n задают конкретными условиями измерений, dЕ - полуширина найденного пика на полувысоте, DЕ - полуширина пика полного поглощения данного радионуклида, а вычисление активности радионуклидов производят путем вычисления площади под гауссовой кривой с амплитудой, равной dА*r, где r - эмпирически найденный коэффициент, обеспечивающий минимальную погрешность измерения. 2. Устройство для измерения радиоактивного загрязнения человека, предназначенное для стационарных и передвижных лабораторий, представляющее собой компактный комплекс, состоящий из детектора излучения в защитном корпусе, многоканального спектрометрического устройства, компьютера и кресла для расположения человека, отличающееся тем, что в устройстве де тектор вмонтирован вплотную к спинке стандартного кресла без специальной внешней защиты, а кресло имеет откидывающуюся спинку. (19) (21) 95031355 (22) 27.03.1995 (24) 16.10.2000 (33) UA (46) 16.10.2000, Бюл. № 5, 2000 р. (72) Кириленко Євген Костянтинович (73) НАУКОВО-ТЕХНІЧНИЙ ЦЕНТР "ВІРІА LTD." (57) Способ измерения радиоактивного загрязнения человека, заключающийся в регистрации и анализе спектра ионизирующего излучения радионуклидов, содержащихся в е го теле, п утем определения разницы между скоростями счета в интервале каналов регистрации спектрометрического устройства при измерении спектров излучения человека и фона, измеряемого через фантом, имитирующий человека, отличающийся тем, что в способе регистрацию спектров излучений производят в интервале каналов, охва тывающи х весь диапазон энергетического спектра, определяемый характеристиками детектора излучения, причем разницу между скоростями счета определяют в каждом канале регистрации, а скорость счета фона определяют с учетом спектральных коэффициентов экранирования фонового излучения телом человека, вычисляемых путем линейной экстраполяции данных измерений спектров фона для набора фантомов различного веса и конфигурации, а идентификацию имеющихся в теле человека радионуклидов производят путем сравнения поло A (54) СПОСІБ ВИМІРЮВАННЯ РАДІОАКТИВНОГО ЗАБРУДНЕННЯ ЛЮД ИНИ ТА ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЙОГО ЗДІЙСНЕННЯ 28169 дионуклида в организме (например 137Cs) по числу отсчетов в канале регистрации пика полного поглощения с учетом поправок на конституцию человека и снижение фона телом. При измерении другого известного радионуклида канал регистрации может быть перестроен. Недостатком такого прибора и способа является невозможность определения активности сложного состава радионуклидов. Кроме того, при измерении людей различной конституции допускается грубая ошибка при учете снижения фона телом, что в результате приводит к большой погрешности (до 100%) в измерении активности, несмотря на высокую чувствительность прибора. Полученные с помощью такого прибора данные имеют только оценочный характер. Известен способ измерения радиоактивного загрязнения человека радионуклидом 137Cs спектрометрическим методом, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в определении разности между суммарным количеством отсчетов в единицу времени (суммарной скоростью счета) в интервале каналов регистрации многоканального спектрометрического устройства при измерении спектра излучения человека и суммарной скоростью счета при измерении фона, причем интервал каналов регистрации охватывает область пика полного поглощения указанного радионуклида (570-810 кэВ), а суммарная скорость счета фона определяется с учетом поглощения излучения в теле человека [3]. Для учета поглощения излучения фона телом человека определяется толщина груди пациента, а затем измеряются суммарные скорости счета излучения фона, прошедшего через фантомы калиброванной толщины (5, 10, 15, 20 см). Измеренные величины, определяющие значение скорости счета фона для каждого фантома, вводятся в блок памяти компьютера. Перед началом измерений в течение 5 минут определяется суммарная скорость счета фона. При определении активности 137Cs, содержащегося в теле человека, вычитается скорость счета фона с учетом поправки на толщину гр уди. Минимально детектируемая активность излучения при таком способе за 5 минут измерения – 8 нКи. Известен спектрометр излучения человека, выбранный в качестве прототипа предлагаемого устройства, который содержит детектор излучения, помещенный в защитный корпус, многоканальное спектрометрическое устройство и компьютер [3]. Измерения проводятся в геометрии стандартного кресла, причем детектор располагается перед пациентом и имеет перемещения по углу и по высоте, а кресло для пациента имеет защиту в виде стального листа, покрывающего спинку и сидение, и может перемещаться продольно. Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают требуемого качества измерений (достоверности результатов, точности и экспрессности измерений), особенно в области низких измеряемых активностей, при повышенном уровне радиационного фона и при наличии в организме одновременно нескольких радионуклидов. Это объясняется следующими причинами: - для обеспечения достоверности получаемых результатов в данном способе необходимо, что бы скорость счета фона в выделенном спектральном окне была ниже скорости счета объекта. В устройстве эта задача решается с помощью защитного экрана, покрывающего кресло, что позволяет работать лишь в помещениях с исходно небольшим фоном; - использование при определении активности радионуклида суммарной величины скорости счета фона в пределах спектрального окна и расположение детектора перед пациентом, которое не позволяет обеспечить одинаковые условия распространения излучения фона через объект и фантом, уменьшает точность измерения активности данного радионуклида. Тем самым для сохранения задаваемой исходно погрешности измерений необходимо увеличивать время измерений; - при определении активности радионуклида не учитывается вклад в скорость счета объекта комптоновской составляющей излучения радионуклидов с более высокой энергией, в частности 40 К, который определяет естественную радиоактивность организма и всегда присутствует в спектре, что вносит погрешность в определение активности и ограничивает применимость данного способа в случае низкой активности инкорпорированных радионуклидов. Учет этого вклада может быть осуществлен в данном способе, если состав радионуклидов заранее известен. Тогда необходимо наличие аттестованных по активности отдельных источников для каждого предполагаемого радионуклида и проведение специальных измерений счета от эти х источников в выделенных окнах, что усложняет проведение измерений. В случае нахождения в спектре неизвестных радионуклидов результат измерений будет непрогнозируемым. Недостатки известного устройства заключаются также в том, что сама конструкция устройства достаточна сложна за счет наличия устройств, необходимых для перемещений детектора и кресла перед каждым измерением, а защита кресла увеличивает вес прибора. Жестко зафиксированное положение спинки кресла затрудняет проведение измерений в тех случаях, когда лежачая позиция обследуемого пациента предпочтительней: в аварийных ситуациях, при параллельном проведении другой медицинской диагностики, при длительных измерениях. Указанное расположение детектора не обеспечивает комфортности пациента при измерениях. Цель изобретения состоит в том, чтобы повысить экспрессность процесса измерений радиационного загрязнения человека без увеличения погрешности измерений, достоверность получаемых данных при наличии сложного состава загрязнителей и обеспечить возможность измерения низких активностей инкорпорированных радионуклидов за счет увеличения точности измерения фонового излучения и способа обработки разностного спектра. Цель изобретения заключается также в упрощении конструкции устройства, уменьшении веса устройства и его себестоимости, увеличении комфортности пациента при проведении измерений. Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения радиоактивного загрязнения 2 28169 человека, заключающемся в регистрации и анализе спектра ионизирующего излучения радионуклидов, содержащихся в его теле, путем определения разницы между скоростями счета в интервале каналов регистрации спектрометрического устройства при измерении спектров излучения человека и фона, измеряемого через фантом, имитирующий человека, согласно изобретению, регистрацию спектров излучений производят в интервале каналов, охватывающих весь диапазон энергетического спектра, определяемый характеристиками детектора излучения, причем разницу между скоростями счета определяют в каждом канале регистрации, а скорость счета фона определяют с учетом спектральных коэффициентов экранирования фонового излучения телом человека, вычисляемых путем линейной экстраполяции данных измерений спектров фона для набора фантомов различного веса и конфигурации, а идентификацию имеющихся в теле человека радионуклидов производят путем сравнения положений статистически выделенных пиков полного поглощения в разностном спектре с положениями пиков известных спектров паспортизованных радионуклидов, причем наличие в спектре выделенных пиков определяют условиями dА/А³n и dЕ³DЕ, где dА=(А-Аф), А - измеренная амплитуда максимума предполагаемого пика, Аф - амплигуда пьедестала, n задают конкретными условиями измерений, dЕ – полуширина найденного пика на полувысоте, DЕ – полуширина пика полного поглощения данного радионуклида, а вычисление активности радионуклидов производят путем вычисления площади под гауссовой кривой с амплитудой, равной dА×r, где r - эмпирически найденный коэффициент, обеспечивающий минимальную погрешность измерения. Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для измерения радиоактивного загрязнения человека, предназначенном для стационарных и передвижных лабораторий, представляющем собой компактный комплекс, состоящий из детектора излучения в защитном корпусе, многоканального спектрометрического устройства, компьютера и кресла для расположения человека, согласно изобретеню, детектор вмонтирован вплотную к спинке стандартного кресла без специальной внешней защиты, а кресло имеет откидывающуюся спинку. Повышение экспрессности процесса измерений без увеличения погрешности измерений при использовании данного способа связано с увеличением точности измерений за счет измерения разностного спектра во всем диапазоне регистрации, учета спектральной зависимости коэффициентов экранирования фонового излучения телом, а также используемой последовательности операций обработки спектра с учетом приведенных критериев и коэффициентов, которая приводит к повышению точности определения площади пика полного поглощения данного радионуклида. Увеличение точности измерений позволяет произвести определение активности радионуклидов с заданной погрешностью измерений за более короткое время измерения. Достоверность получаемых данных при наличии сложного состава загрязнителей обеспечивается последовательным применением операций поиска выделенных пиков с учетом приведенных критериев и определением площади пика полного поглощения путем вычислении площади под гауссовой кривой. При таком методе определения площади происходит автоматическое исключение вклада комптоновских составляющих высокоэнергетических радионуклидов, приводящих к появлению в разностном спектре пьедестала под пиком полного поглощения. Данный способ измерения не накладывает ограничений на величину фонового излучения при проведении измерений, что в сочетании с корректным учетом экранирования фона телом обеспечивает возможность измерения низких активностей радионуклидов. Отсутствие ограничений на величину фонового излучения позволяет уменьшить вес устройства, уменьшить его себестоимость и упростить конструкцию прибора. Расположение детектирующего устройства в спинке откидного кресла обеспечивает непосредственный контакт с областью тела, где размещаются ценры основных органов локализации радионуклидов как в геометрии стандартного кресла, так и в геометрии лежанки. Условие такого контакта является необходимым для обеспечения корректного учета экранирования фонового излучения телом согласно способу. Такое расположение детектора обеспечивает также повышение комфортности человека при проведении измерений и упрощение конструкции устройства. Все вышесказанное позволяет сделать вывод, что предлагаемые изобретения связаны единым изобретательским замыслом. Сравнение предлагаемых технических решений с прототипом позволило установить их соответствие критерию "новизна". Хотя операции поиска выделенных пиков и вычисление активности радионуклидов путем определения площади пика полного поглощения, аппроксимируемого гауссовой кривой, в спектре излучения человека является известными, однако лишь их использование в определенной последовательности с учетом приведенных критериев и коэффициентов для анализа именно разностного спектра позволяет достичь цели изобретения. Поэтому признаки, отличающие предлагаемые изобретения от прототипа, обеспечивают данному техническому решению соответствия критерию "существенная новизна". На фиг. 1 показан реальный спектр излучения инкорпорированных радионуклидов, полученный после вычитания спектра фона. На фиг. 2 показан реальный спектр излучения радионуклидов с отмеченными этапами обработки спектра и цифровой информацией. На фиг. 3 показаны результаты расчетов активности обнаруженных радионуклидов. Примеры осуществления способа Пример 1 Измерение радиоактивного загрязнения человека g-излучающими радионуклидами производится с помощью комплекса, состоящего из блока детектирования излучения в защитном корпусе, многоканального спектрометрического устройства, персонального компьютера и кресла для расположения человека. Для проведения измерений используются детектор со сцинтилляционным NaI (ТІ) кристаллом размером 100´150 мм и ФЭУ-49Б, 3 28169 помещенные в свинцово-чугунный защитный корпус толщиной 5 см. Устройство для измерения радиоактивного загрязнения человека проходит стандартизованную метрологическую аттестацию с помощью фантомов, имитирующи х взрослого человека, подростка и ребенка, имеющих вес 60,24 и 12 кг соответственно, в чистом виде и с равномерным внедрением изотопов из специального комплекта стандартизованных g-излучающих источников (137Cs, 134Cs и др.) для определения эффективности регистрации, минимально детектируемой активности, энергетического разрешения. После этого, согласно предлагаемому способу, помещают по очереди указанные фантомы на кресло, соблюдая при этом положение, которое будет принимать человек при измерении (спина вплотную прижата к спинке кресла). Длительность измерений фантомов определяется экспериментально, исходя из условия, чтобы погрешность измерений не превышала заданного значения (3%). Измеряются скорости счета во всех каналах многоканального спектрометрического устройства, о хватывающих всю область регистрируемого спектра (502500 кэВ), для фонового излучении, прошедшего через каждый фантом, а также в отсутствии фантома. Вычисляются спектральные коэффициенты экранирования Кэ фонового излучения в каналах регистрации спектра дая каждого фантома по формуле Кэі=Nmi/Nфі, где і - номер канала регистрации, Nmi - скорость счета фона через фантом (m=1, 2, 3), Nфі - скорость счета в отсутствии фантома. Вычисление производится с помощью компьютерной программы, данные заносятся в блок памяти компьютера в виде спектральных файлов. Для определения аппроксимирующи х коэффициентов r производится не менее 100 измерений спектров указанных фантомов с известным содержанием радионуклидов, активность которых незначительно превышает фон. По специальной программе производится вычисление коэффициента r, обеспечивающего минимальную погрешность при определении реальной активности. Перед началом работы комплекса производится измерение спектра фона. При измерении спектра излучения человека в базу данных вносят его анкетные данные, а также вес и рост, что необходимо ддя обработки результатов измерений.Минимальное время измерения спектра человека составляет 3 мин., что при заданной погрешности 20% обеспечивает минимально детектирующую активность 2 нКи. Производится вычисление разностного спектра, представляющего собой реальный спектр излучения радионуклидов, содержащихся в теле человека, который описывается следующей формулой: водится на экран дисплея (фиг. 1). С помощью специальной программы производится поиск статистически выделенных пиков и определяются положения их максимумов и амплитуды. Данный этап обработки спектра выводится на экран дисплея (фиг. 2). Положения максимумов сравниваются с положениями максимумов табличных спектров, полученных от эталонных источников и введенных в память компьютера. Производится подсчет скоростей счета в интервале ±1,5DЕ от найденного максимума, определяется площадь под пиком в указанном интервале. На экран дисплея выводится вся цифровая информация: значения амплитуд найденных пиков, энергетическое положение их максимумов (центров), величины площадей для каждого обнаруженного радионуклида (фиг. 2) Активность данного радионуклида М определяется по известной формуле: M=S/F, где F - эффективность регистрации, S - площадъ под гауссовой кривой. Результаты расчетов активности обнаруженных радионуклидов выводятся на экран диплея в диаграммном виде (фиг. 3). Полученные при анализе спектра данные позволяют оценить степень опасности для здоровья человека, возникающей за счет загрязнения радионуклидами. Для проведения такой оценки данные необходимо сопоставить с величинами предельно допустимых загрязнений дая каждого радионуклида, определенными Минздравом Украины. Пример 2 Производится измерение и анализ спектра bизлучающи х радионуклидов, содержащихся в теле человека с помощью устройства, описанного в примере 1. Однако в этом случае спинка устройства откинута и измерения производятся в геометрии лежанки, а детектор представляет собой конструкцию из двух сцинтилляционных кристаллов: тонкую (2 мм) пластину стильбена и толстую (100 мм) NаІ. b-излучение не проникает через кожу, но приводит к возникновению тормозного рентгеновского излучения, которое сильно поглощается в первом слое из стильбена, вырабатывая короткие световые вспышки. g-излучение имеющихся радионуклидов поглощается в материале кристалла NaI, вызывая вспышки большей длительности. Полученные сигналы усиливаются и разделяются по длительности свечения. В памяти компьютера регистрируются раздельно два спектра: тормозного излучения (диапазон 30-250 кЭв) и gизлучения (диапазон 0,5-2,5 МэВ). Обработка gспектра производится аналогично тому, как это описано в примере 1. Определение активности чисто b-излучающих радионуклидов (например 90 Sr) производится путем вычитания из суммарного b-спектра b-компонент g-излучащи х радионуклидов. Точность и чувствительность способа существенно зависят от точности определения gизлучающи х радионуклидов. Для количественного определения содержания 90Sr производится калибровка устройства по тормозному излучению 90 Sr и 90 Y с помощью специального фантома. Такой способ регистрации и анализа спектра b Ni = (n челі / Т чел ) - (N* × Кэ і / Т ф ), фі где Nчелі, Nфі - число отсчетов при измерении спектра излучения человека и фона в і-канале регистрации, Тчел, Tф - времена измерения спектров излучения человека и фона. Значения коэффициентов Кэ для реального человека с учетом его веса и роста определяется путем линейной экстраполяции спектральных коэффициентов экранирования, полученных для фантомов. Разностный спектр вы 4 28169 излучения позволяет определить активность 8 нКи 90 Sr за 25 мин. измерения с точностью 20%. Использование предлагаемого способа измерения радиоактивного загрязнения человека и конструкции устройства позволяет по сравнению с существующими повысить экспрессность измерений радиоактивности, увеличить достоверность данных измерений, обеспечить измерение низких активностей радионуклидов, производить измерения при любом уровне фона, измерять активность смеси радионуклидов, в том числе, неизвестного состава. Одновременно упрощается конструкция устройства, за счет отказа от системы настройки детектора, уменьшается вес устройств и его себестоимость, увеличивается комфортность обследуемого при проведении измерений. Источники информации 1. Directory of Whole-Body Radiactivity Monitors. Vienna, IAEA, 1964, Edition. 2. Белле Ю.С., Лебедев О.В., Спирин В.Д. и др., Труды по радиационной гигиене, вып. 3, Л., 1967, с. 206-222. 3. Masaharu Hoshi, Yoshisada Shibata, Shunzo Okaijama et. al. Health Physics, v. 67, № 3, 1994, p. 272-375. Фиг. 1 Фиг. 2 5 28169 Фиг. 3 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6